Esta nueva partícula funcionaría como portal a una quinta dimensión

Artículo publicado originalmente por VICE en inglés.

Los científicos quieren buscar una partícula hipotética que puede actuar como un portal a una quinta dimensión deformada que media los reinos cósmicos de la luz y la oscuridad.

Sería perfectamente normal asumir que esa oración es una sinopsis de una película de ciencia ficción, pero en realidad es el asombroso resultado de un estudio reciente que busca arrojar luz sobre 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 resolver problemas inextricables sobre las partículas subatómicas conocidas como fermiones, según la nueva investigación, publicada el mes pasado en The European Physical Journal C.

El estudio añade que “la presencia de una nueva física” podría explicar estos misterios fundamentales al presentar un modelo del universo con una quinta dimensión que las partículas pueden atravesar.

El estudio fue escrito por Javier Castellano y Matthias Neubert, físicos teóricos del PRISMA+ Cluster of Excellence de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia, y Adrián Carmona, becario del programa Athenea3i del departamento de física teórica y el cosmos de la Universidad de Granada.

“Hemos estado trabajando en un tema similar durante bastante tiempo”, contó el equipo en un correo electrónico.

“Nuestra motivación inicial fue explicar el posible origen de las masas de fermiones en teorías que consideran una dimensión adicional deformada”.

“Sabíamos que las masas de estos elementos tenían algunas características especiales, que pedían a gritos una explicación”, dijeron.

Los investigadores forman parte de una larga tradición científica que ha cuestionado si las cuatro dimensiones que los humanos pueden comprender —espacio y tiempo tridimensionales— son realmente todo lo que el universo tiene para ofrecer. Esta línea de investigación ha producido ecuaciones de campo de cinco dimensiones que expresan las implicaciones que tendría una dimensión adicional 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 relacionado con una partícula especulativa que es aproximadamente similar al campo de Higgs que se asocia 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 adicional”, aclaró el equipo. “Dado que esta nueva partícula tiene propiedades cuánticas muy similares a las del bosón de Higgs, fue natural asumir que ambas partículas deberían mezclarse entre sí, lo que significa que sus funciones de onda cuántico-mecánicas 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 sería capaz de mediar una nueva fuerza que conecta la materia oscura y su contraparte visible más familiar, que toma la forma de estrellas, planetas y todas las otras cosas que podemos detectar con la astronomía tradicional que se basa en la luz.

“Si esta partícula pesada existe, necesariamente conectaría la materia visible que conocemos y que hemos estudiado en detalle con los elementos de la materia oscura, asumiendo que la materia oscura está compuesta de fermiones fundamentales, que habitan en la dimensión adicional”, explicaron los físicos.

“No es una idea descabellada, ya que sabemos que la materia ordinaria está hecha de fermiones y que, si existe esta dimensión adicional, muy probablemente se propaguen a ella”, señalaron.

Los modelos de la partícula hipotética no entran en conflicto con la evidencia observacional de la abundancia de materia oscura en el universo. Esta correspondencia general con la evidencia empírica, junto con el considerable trabajo matemático del 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”, señaló el equipo. “Particularmente, nos dará 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 poseen una pista sobre esta partícula hipotética y su quinta dimensión, tendrán que dedicar sus esfuerzos a buscarla. El bosón de Higgs finalmente fue descubierto mediante el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Suiza en 2012, un logro que mereció el Premio Nobel de Física. Sin embargo, el LHC no estaría equipado para buscar la partícula propuesta en el nuevo estudio, ya que sería demasiado pesada para generarse en cualquier instalación actual.

Aunque una nueva generación de colisionadores propuestos —como el Colisionador Lineal Internacional, el Colisionador Lineal Compacto (CLIC) y el Colisionador Circular Futuro— sería capaz de generar la partícula, los investigadores dijeron que “debido a su gran masa, la expectativa de un descubrimiento tan directo no es tan alta incluso con la energía acordada para una máquina de este tipo (100 TeV)”.

Aun así, los investigadores creen que la partícula podría detectarse de manera más indirecta, a través de la observación de ondas gravitacionales, que son ondas pequeñas 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 producir ondas gravitacionales que pueden buscarse en un futuro mediante detectores de ondas gravitacionales”, agregaron los investigadores.

Los estudios venideros sobre materia oscura también podrían ayudar a limitar las probabilidades de existencia de la partícula, así que el equipo es optimista de que su concepto de la quinta dimensión pueda desarrollarse junto con los avances en la física de partículas y la cosmología. Más allá de sus implicaciones para comprender la materia oscura, la partícula, de existir, podría arrojar luz sobre dilemas científicos que siguen aquejándonos, como el enigma de los sabores o el problema de las jerarquías, 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 adicional”, dijo el equipo. “Eventualmente, también podría conducir a una interesante historia cosmológica del universo y a la producción de ondas gravitacionales. Es una línea de investigación interesante, que tenemos la intención de seguir en los próximos meses”.

“También podríamos tratar de encontrar nuevas formas de rastrear la partícula en futuros colisionadores de hadrones”, concluyeron los investigadores. “Como pueden ver, ¡hay muchas cosas que uno puede pensar!”.