Los físicos teóricos del clúster de excelencia PRISMA+ de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia están trabajando en una teoría que va más allá del Modelo Estándar de la física de partículas y que puede responder a cuestiones por las que el Modelo Estándar tiene que pasar, por ejemplo, con respecto a las jerarquías de las masas de las partículas elementales o la existencia de la materia oscura. El elemento central de la teoría es una dimensión extra en el espacio-tiempo. Hasta ahora, los científicos se enfrentaban al problema de que las predicciones de su teoría no podían ser comprobadas experimentalmente. Ahora han superado este problema según un estudio publicado en The European Physical Journal el 20 de enero bajo el título “Un portal escalar deformado hacia la materia oscura fermiónica”.
Por Science Daily
Ya en la década de 1920, en un intento de unificar las fuerzas de la gravedad y el electromagnetismo, Theodor Kaluza y Oskar Klein especularon sobre la existencia de una dimensión adicional más allá de las conocidas tres dimensiones espaciales y el tiempo, que en física se combinan en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones. De existir, esa nueva dimensión tendría que ser increíblemente diminuta e imperceptible para el ojo humano. A finales de la década de 1990, esta idea ha experimentado un notable renacimiento, al constatar que la existencia de una quinta dimensión podría resolver algunas de las profundas cuestiones abiertas de la física de partículas. En particular, Yuval Grossman, de la Universidad de Stanford, y Matthias Neubert, entonces profesor de la Universidad de Cornell, demostraron en una publicación muy citada que la incrustación del Modelo Estándar de la física de partículas en un espaciotiempo de 5 dimensiones podría explicar los patrones hasta ahora misteriosos observados en las masas de las partículas elementales.
Otros 20 años después, el grupo de Matthias Neubert -desde 2006 en la facultad de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (Alemania) y portavoz del Clúster de Excelencia PRISMA+- hizo otro descubrimiento inesperado: Descubrieron que las ecuaciones de campo de 5 dimensiones predecían la existencia de una nueva partícula pesada con propiedades similares a las del famoso bosón de Higgs, pero con una masa mucho más pesada, tanto que no puede producirse ni siquiera en el colisionador de partículas de mayor energía del mundo: el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del Centro Europeo de Investigación Nuclear CERN, cerca de Ginebra (Suiza). “Fue una pesadilla”, recuerda Javier Castellano Ruiz, estudiante de doctorado que participa en la investigación, “estábamos entusiasmados con la idea de que nuestra teoría predice una nueva partícula, pero parecía imposible confirmar esta predicción en ningún experimento previsible”.
El desvío por la quinta dimensión
En un artículo publicado recientemente en el European Physical Journal, los investigadores encontraron una resolución espectacular a este dilema. Descubrieron que su partícula propuesta mediaría necesariamente una nueva fuerza entre las partículas elementales conocidas (nuestro universo visible) y la misteriosa materia oscura (el sector oscuro). Incluso la abundancia de materia oscura en el cosmos, observada en experimentos astrofísicos, puede explicarse con su teoría. Esto ofrece nuevas y emocionantes formas de buscar los constituyentes de la materia oscura -literalmente a través de un desvío por la dimensión extra- y obtener pistas sobre la física en una etapa muy temprana de la historia de nuestro universo, cuando se produjo la materia oscura. “Tras años de búsqueda de posibles confirmaciones de nuestras predicciones teóricas, ahora confiamos en que el mecanismo que hemos descubierto haría accesible la materia oscura a los próximos experimentos, porque las propiedades de la nueva interacción entre la materia ordinaria y la materia oscura -que está mediada por nuestra partícula propuesta- pueden calcularse con precisión dentro de nuestra teoría”, afirma Matthias Neubert, jefe del equipo de investigación. “Al final -así lo esperamos- la nueva partícula puede ser descubierta primero a través de sus interacciones con el sector oscuro”. Este ejemplo ilustra muy bien la fructífera interacción entre la ciencia básica experimental y la teórica, una de las señas de identidad del Grupo de Excelencia PRISMA+.
Fuentes:
Science Daily — Searching for dark matter through the fifth dimension: A discovery in theoretical physics could help to unravel the mysteries of dark matter.
Adrian Carmona, Javier Castellano Ruiz, Matthias Neubert. A warped scalar portal to fermionic dark matter. The European Physical Journal C, 2021; 81 (1) DOI: 10.1140/epjc/s10052-021-08851-0.
