Los científicos han propuesto una nueva partícula que es un portal a una quinta dimensión
El camino hacia la materia oscura y otros enigmas fundamentales puede ser a través de una dimensión extra deformada, según un nuevo estudio que propone una nueva teoría del universo.
Por Becky Ferreira
4 de febrero de 2021
Los científicos quieren buscar una partícula hipotética que pueda actuar como un portal a una quinta dimensión deformada que medie los reinos cósmicos de luz y oscuridad.
Se le perdonará por asumir que la oración es una sinopsis de ciencia ficción, pero en realidad es el resultado asombroso de un estudio reciente que busca iluminar algunos de los enigmas más persistentes de la ciencia.
La existencia de esta partícula especulativa podría «proporcionar una explicación natural» para la abundancia de materia oscura, una sustancia no identificada que representa la mayor parte de la masa del universo y resuelve problemas intratables sobre las partículas subatómicas conocidas como fermiones, según la nueva investigación, fue publicado el mes pasado en The European Physical Journal C.
El estudio agrega que «la presencia de nueva física» puede explicar estos misterios fundamentales al presentar un modelo del universo con una quinta dimensión que puede ser atravesada por partículas.
El estudio fue escrito por Javier Castellano y Matthias Neubert, físicos teóricos del PRISMA + Cluster of Excellence de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, y Adrián Carmona, becario Athenea3i del departamento de física teórica y el cosmos de la Universidad de Granada.
«Hemos estado trabajando en un tema similar durante bastante tiempo», dijo el equipo en un correo electrónico.
«Nuestra motivación inicial fue explicar el posible origen de las masas de fermiones en teorías con una dimensión extra deformada».
«Sabíamos que las masas de estos electores tenían algunas características especiales, que pedían a gritos una explicación», dijeron.
Los investigadores forman parte de una larga tradición científica que cuestiona si las cuatro dimensiones que los humanos pueden comprender (espacio y tiempo 3D) son realmente todo lo que el universo tiene para ofrecer. Esta línea de investigación ha producido ecuaciones de campo de 5 dimensiones que expresan las implicaciones que tendría una dimensión extra sobre el universo y la realidad misma.
Mientras investigaba estas ecuaciones en relación con las masas de fermiones, el equipo esbozó la existencia de un nuevo campo escalar asociado con una partícula especulativa que es aproximadamente similar al campo de Higgs asociado con la famosa partícula del bosón de Higgs.
«Descubrimos que el nuevo campo escalar tenía un comportamiento interesante y no trivial a lo largo de la dimensión extra», explicó el equipo. «Dado que esta nueva partícula tiene propiedades cuánticas muy similares a las del bosón de Higgs, era muy natural asumir que las dos partículas deberían mezclarse entre sí, lo que significa que sus funciones de onda de la mecánica cuántica están entrelazadas».
«Estudiar esta mezcla fue una de las motivaciones originales de este trabajo», agregaron los investigadores.
Al probar esta hipótesis, los físicos se dieron cuenta de que la partícula pesada podría ofrecer «una ventana única» a la materia oscura porque podría mediar una nueva fuerza que conecta la materia oscura y su contraparte visible más familiar, que toma la forma de estrellas, planetas, y todo lo demás que podamos detectar con la astronomía tradicional basada en la luz.
«Si esta partícula pesada existe, necesariamente conectaría la materia visible que conocemos y que hemos estudiado en detalle con los constituyentes de la materia oscura, asumiendo que la materia oscura está compuesta de fermiones fundamentales, que viven en la dimensión extra», explicaron los físicos.
«Esta no es una idea descabellada, ya que sabemos que la materia ordinaria está hecha de fermiones y que, si existe esta dimensión adicional, es muy probable que se propaguen a ella», señalaron.
Los modelos de la partícula hipotética no entraron en conflicto con la evidencia observacional real de la abundancia de materia oscura en el universo. Este acuerdo general con la evidencia empírica, junto con el considerable trabajo matemático en el estudio, demuestra que la partícula podría ser «un posible nuevo mensajero para el sector oscuro», dijeron los investigadores.
«Por lo tanto, confirmar la existencia de una nueva partícula escalar abrirá un camino emocionante hacia el posible descubrimiento de la materia oscura», dijo el equipo. «Esto nos dará, en particular, información muy útil sobre el posible rango de masa de la materia oscura y sus interacciones con las partículas que conocemos hoy en día».
Ahora que los científicos tienen una pista sobre esta partícula hipotética y su quinta dimensión, tienen que buscarla. El bosón de Higgs finalmente fue descubierto por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Suiza en 2012, un logro que le valió el Premio Nobel de Física. Sin embargo, el LHC no estaría equipado para buscar la partícula propuesta en el nuevo documento, ya que sería demasiado pesada para generarla en cualquier instalación actual.
Aunque la partícula podría ser detectable para una nueva generación de colisionadores propuestos, como el Colisionador Lineal Internacional, el Colisionador Lineal Compacto (CLIC) y el Future Circular Collider, los investigadores dijeron que «debido a su gran masa, las perspectivas de un descubrimiento tan directo parecen muy desafiantes incluso a las altas energías discutidas para una máquina de este tipo (100 TeV)».
Aun así, los investigadores creen que la partícula podría detectarse de forma más indirecta, como mediante la observación de ondas gravitacionales, que son ondas en el espacio-tiempo.
«Otra posibilidad, que aún no exploramos, es que esta nueva partícula podría desempeñar un papel importante en la historia cosmológica del universo y podría producir ondas gravitacionales que se pueden buscar con futuros detectores de ondas gravitacionales», agregaron los investigadores.
Los estudios futuros de la materia oscura también podrían ayudar a construir las probabilidades de la existencia de la partícula, por lo que el equipo es optimista de que su concepto de la quinta dimensión se desarrollará junto con los avances en la física de partículas y la cosmología. Más allá de sus implicaciones para comprender la materia oscura, la partícula, si existe, podría arrojar luz sobre dilemas científicos de larga data, como el acertijo del sabor o el problema de la jerarquía, al tiempo que abre una nueva ventana al universo temprano.
«Se podría estudiar el papel potencial que juega la nueva partícula escalar en la estabilización de la dimensión extra», dijo el equipo. «Esto también podría eventualmente conducir a una interesante historia cosmológica del universo y podría conducir a la producción de ondas gravitacionales. Esta es una línea de investigación interesante, que planeamos seguir en los próximos meses».
«También se podría intentar encontrar nuevas formas de sondear esta partícula en futuros colisionadores de hadrones», concluyeron los investigadores. «Como puede ver, ¡hay muchas cosas en las que uno puede pensar!»