Quinta fuerza: un nuevo marco fijo gracias a la interferometría de pendellösung

Desde principios de la década de 1970, el modelo estándar de física ha sido capaz de explicar los resultados de una gran cantidad de experimentos. Pero también, para predecir muchos fenómenos notablemente bien. Los físicos lo construyeron alrededor de doce partículas elementales gobernadas por solo cuatro fuerzas.

Estas llamadas fuerzas fundamentales (gravitación, fuerza electromagnética, fuerza fuerte y fuerza débil) actúan cada una a su propio nivel. Y para tres de ellos, al menos, son transportados por partículas. La fuerza electromagnética, por ejemplo, es responsable de la cohesión de los núcleos atómicos. Está asociado con el fotón, una partícula de carga y masa cero. Dado que la escala a la que la interacción produce un efecto es generalmente inversamente proporcional a la masa de su «partícula portadora», se dice que la fuerza electromagnética tiene un rango infinito.

En esta máquina bien engrasada, sin embargo, algunos engranajes parecen querer bloquearse. A pesar de décadas de intentos, los físicos aún no pueden unificar las cuatro fortalezas fundamentales del Modelo Estándar. Es por eso que teorizaron la existencia de una fuerza de corto alcance no descubierta. La que llaman la quinta fuerza y ​​que podría estar relacionada con la energía oscura o con las dimensiones extra espaciales. Y precisamente hoy, un trabajo realizado por un equipo de Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, EE.UU.) finalmente podría poner a los físicos en el camino correcto. Sugieren que esta quinta fuerza hipotética actuaría en una escala entre 0.02 y 10 nanómetros (nm), o entre 0.02.10^-9 o 10.10^-9 subterraneo.

Un cristal de silicio perfecto y un haz de neutrones

¿Cómo llegaron a esta conclusión? Implementando una tecnología asombrosa: la llamada interferometría pendellösung. Para comprender, primero debemos recordar que para sondear materiales cristalinos a escala atómica, los físicos a menudo los bombardean con partículas subatómicas. Su objetivo: luego detectar los ángulos en los que el rayo rebota en los planos de la red cristalina o los patrones que forma al cruzarla.

Esta vez, es un cristal de silicio perfecto, un cristal con capas atómicas idénticas en cada plano con espaciamientos y orientaciones que se repiten en todo el cristal, que los investigadores del NIST colocaron en la cuadrícula. El elemento es bien conocido. Es la base de toda nuestra electrónica. Pero con el advenimiento de la computación cuántica, los físicos necesitan aprender más sobre ella. Les gustaría tener éxito en la caracterización de la estructura del silicio hasta el punto en que la precisión de sus mediciones esté limitada por los efectos cuánticos.

© Instituto Nacional de Estándares y Tecnología

Cuando los neutrones atraviesan un cristal, crean dos ondas estacionarias diferentes: una primera a lo largo de planos atómicos y una segunda entre ellas. La interacción de estas ondas afecta la trayectoria del neutrón, revelando aspectos de la estructura cristalina.

Entonces, los investigadores optaron por bombardear su cristal de silicio con un haz de neutrones. Porque estos últimos se comportan como objetos cuánticos, tanto partículas como ondas. Un neutrón que atraviesa un cristal rebota en átomos de silicio y forma ondas estacionarias, tanto entre planos atómicos como entre planos atómicos. Y cuando estos dos tipos diferentes de ondas —las que rotan en línea recta entre los planos de la red y las que son empujadas por los átomos que componen el cristal— interfieren, forman un patrón que los físicos llaman oscilaciones pendellösung. El análisis de estas oscilaciones nos permite caracterizar los obstáculos que encontraron los neutrones en su camino y evaluar las fuerzas que sufrieron al atravesar el cristal.

Información valiosa sobre la estructura de neutrones

Gracias a una medición cuatro veces más precisa que las obtenidas hasta ahora, los investigadores del NIST también pudieron medir lo que los físicos llaman radio de carga de neutrones. ¿Un radio de carga para una partícula neutra? Sí, porque, de hecho, el neutrón está formado por tres partículas cargadas elementales. Con una carga positiva bastante ubicada en el centro y una carga negativa tirando hacia afuera. El radio de la carga corresponde a la distancia que existe entre estas dos concentraciones.

© Instituto Nacional de Estándares y Tecnología

En realidad, un neutrón está formado por tres partículas elementales llamadas quarks. La suma de las cargas eléctricas de los tres quarks es cero, lo que hace que el neutrón sea eléctricamente neutro. Pero la distribución de estas cargas es tal que es más probable que las cargas positivas estén en el centro del neutrón y las negativas en el exterior.

Este radio de carga ya se ha medido en otro lugar. Pero con resultados discordantes. La ventaja del método utilizado aquí es que, en principio, no se ve afectado por factores que puedan haber provocado la divergencia de los otros experimentos. En el cristal de silicio, las distancias entre cargas son extremadamente pequeñas. Y los campos eléctricos interatómicos son consecutivamente extremadamente intensos. Estamos hablando de cien millones de voltios por centímetro. Suficiente para que el neutrón se comporte como la partícula compuesta que es.

Si la precisión del método desarrollado por los investigadores del NIST también es importante, es también porque los neutrones, que no transportan electricidad, no interactúan con los electrones en el centro del material. Penetran más profundamente en el cristal que los rayos X, por ejemplo. Hasta una pulgada o más. Por tanto, «ven» un mayor número de núcleos y electrones. Suficiente para demostrar que pueden no vibrar al unísono y obligar a los físicos a revisar finalmente su forma de considerar las interacciones entre los átomos en un cristal de silicio.