¿Cuántas fuerzas fundamentales hay en la naturaleza?

La física nos dice que en el universo hay cuatro fuerzas fundamentales: la gravedad, la electromagnética y dos fuerzas nucleares. Sin embargo hay algunos físicos que creen que aún falta alguna.

 

La forma que tiene la materia de relacionarse, de interaccionar, es a través de lo que comúnmente llamamos fuerzas. El simple hecho de beber un vaso de agua es un ejemplo de ello: lo podemos sujetar porque aparece una repulsión electrostática entre los electrones de nuestra mano y los de vidrio, y al izarlo estamos contrarrestando la acción de otra fuerza que actúa sobre él, la gravedad.

Como en el caso anterior, todos los procesos que observamos en nuestra vida diaria se reducen a la acción de dos fuerzas fundamentales: la gravedad y la electromagnética. Sin embargo, no son las únicas. Existen otras dos de las cuales no tenemos experiencia porque su alcance está restringido a distancias del núcleo atómico: la fuerza nuclear fuerte, responsable de mantener unidos los protones y neutrones dentro del núcleo atómico, y la fuerza nuclear débil, causante de cierto tipo de desintegración radiactiva, la desintegración beta.

Aunque la mayoría de los físicos piensan que sólo existen estas cuatro, un pequeño porcentaje de ellos creen que se nos ha quedado una en el tintero. La búsqueda de esa hipotética y elusiva quinta fuerza se lleva realizando en dos escalas totalmente diferentes: la subatómica y la cosmológica.

 

Nuevas partículas, nuevas fuerzas

En 2011 los físicos del Tevatron, el acelerador de partículas del Fermilab de Chicago, afirmaron haber encontrado pruebas de la existencia de una partícula totalmente desconocida y fuera del modelo estándar: los bosones W' y Z’ cuya existencia abriría la puerta a una nueva fuerza. Esto es así porque según la física cuántica, cuando dos partículas interaccionan lo que están haciendo es intercambiarse la partícula portadora de la fuerza en juego: en el caso de la fuerza electromagnética se trata de un fotón.

Sin embargo, ni el CERN ni el Tevatrón pudieron confirmar posteriormente su existencia, por lo que  la quinta fuerza volvió de nuevo a su existencia fantasmal. Pero no por mucho tiempo: en 2015 el experimento ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN dijo haber encontrado indicios de la existencia de estos bosones, pero no pasó de ahí.

Y en 2021 el experimento LHCb (también del CERN) apuntó a la posible detección de una partícula hipotética llamada leptoquark capaz de interaccionar tanto con los quarks (los componentes de los protones y neutrones) como con los leptones (como son los electrones). Si se hubiera confirmado la existencia de alguna de estas partículas la puerta a la existencia de una nueva fuerza de la naturaleza quedaría totalmente abierta.

El misterioso espín

Pero la búsqueda también va por otro lado. En 2013 la quinta fuerza volvió a la palestra de la mano de una de las características que tienen todas las partículas subatómicas: el espín. En un principio los físicos imaginaron que si el electrón era una pequeña esfera cargada, entonces podría rotar sobre sí mismo como hacen los planetas: eso -dicho de forma muy burda- es el espín. Pero aquí termina la analogía; si bien el giro de un planeta puede tener cualquier valor, el spin del electrón solo puede tomar dos, que se asignan arbitrariamente como +½ y -½.

Sin embargo poco a poco fue haciéndose más claro que, fuera lo que fuera el espín, de ningún modo se correspondía con una rotación del electrón. Se trataba de un resultado exclusivamente cuántico-relativista, sin paralelo alguno con la física clásica. La interpretación de lo que es el espín sigue siendo oscura incluso en la actualidad, pero sabemos que en presencia de un campo magnético puede alinearse en dos direcciones: arriba y abajo. Esta extraña propiedad del electrón es la que permite que, por ejemplo, se hagan resonancias magnéticas en los hospitales.

Esta misteriosa propiedad ha hecho pensar a algunos físicos que la quinta fuerza podría ser algún tipo de interacción espín-espín de largo alcance entre partículas subatómicas. Esto es lo que el físico Larry Hunter planteó en 2013 al analizar cómo podría ser la interacción entre el espín de electrones, protones y neutrones de un laboratorio con el de los electrones del interior de nuestro planeta. El problema experimental a batir es que, al ser esta nueva fuerza de una intensidad muy débil (un millón de veces más pequeña que la gravedad), la interacción del espín con el campo magnético terrestre enmascara cualquier otro efecto. Hasta el momento este camino sigue sin dar ningún fruto.

¿Una quinta fuerza cosmológica?

Por otro lado, la existencia de dimensiones extra en el universo también permite la entrada de una quinta fuerza entre los pliegues de la teoría, de manera que modificaría la gravedad a pequeñas distancias. Para descubrirla se han realizado distintos experimentos cuyo objetivo es determinar si existe alguna desviación a la ley del inverso del cuadrado de la distancia que determina el alcance de la gravedad. Algunos experimentos realizados en en las profundidades de una mina en Australia y en la profundidad de los hielos de Groenlandia han encontrado pequeñas discrepancia (del orden de un 2%) entre los valores medidos y previstos, pero no son concluyentes.

Otros físicos buscan una nueva fuerza operando en escalas cosmológicas. El astrofísico Bhuvnesh Jain de la Universidad de Pennsylvania piensa que a medida que miramos más profundamente en el universo, las leyes de la gravitación apuntan a la existencia de una fuerza operando a escala de cúmulos de galaxias. Para este astrofísico, haber descubierto la expansión acelerada del universo implica dos posibilidades: o bien la relatividad general de Einstein es correcta a grandes escalas pero existe una forma extraña de energía, la energía oscura, que provoca esa expansión, o bien no existe esa energía sino que la relatividad general no es correcta a grandes escalas, lo que significa que existe una quinta fuerza operando a distancias cosmológicas.

En 2012 Jain, junto con otros colegas, reexaminaron la luminosidad de un tipo de estrellas llamadas cefeidas, que varían su brillo de forma tremendamente regular, en 25 galaxias. La existencia de una hipotética quinta fuerza implicaría la existencia de diferencias en el periodo de las cefeidas sin explicación posible. Sin embargo, lo que encontraron fue un perfecto acuerdo entre las observaciones y las predicciones de la relatividad general.

Otros científicos, como Jo Bovy y Glennys Farrar, la buscan en la materia oscura. Su modelo predice la existencia de una fuerza de largo alcance, no-gravitacional y atractiva, que no afecta a la materia ordinaria. ¿Entonces cómo podría demostrarse su existencia? Porque al ser atractiva, esta fuerza obligaría a la materia oscura a agregarse, lo que acabaría teniendo un efecto gravitacional sobre la materia ordinaria, acelerando la formación de estructuras en el universo.

A pesar de los esfuerzos por demostrar la existencia de una quinta fuerza fundamental en el universo -que comenzaron a finales de la década de 1980- lo cierto es que ha demostrado tener un cierto aire fantasmal: hay quien dice que la ha visto pero al final todo queda en agua de borrajas.

 

Referencias

Jo Bovy and Glennys R. Farrar, Connection between a Possible Fifth Force and the Direct Detection of Dark Matter, Phys. Rev. Lett. 102, 101301

Hunter, J. Gordon, S. Peck, D. Ang, J.-F. Lin. Using the Earth as a Polarized Electron Source to Search for Long-Range Spin-Spin Interactions. Science, 2013; 339 (6122): 928

Diaz, B.; Schmaltz, M.; Zhong, Y.-M. (2017) "The leptoquark hunter's guide: pair production". Journal of High Energy Physics. 97 (10): 97

CDF Collaboration, T. Aaltonen et al (2011) “Invariant Mass Distribution of Jet Pairs Produced in Association with a W boson in ppbar Collisions at sqrt(s) = 1.96 TeV”, Phys.Rev.Lett. 106:171801

 

 

 

Miguel Ángel Sabadell

Miguel Ángel Sabadell

Me licencié en astrofísica pero ahora me dedico a contar cuentos. Eso sí, he sustituido los dragones y caballeros por microorganismos, estrellas y científicos de bata blanca.

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