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La partícula X17 podría resolver el misterio de la materia oscura


El profesor Attila Krasznahorkay y sus colegas del Instituto de Investigación Nuclear en Debrecen, Hungría, publicaron recientemente un artículo científico que insinúa la existencia de una partícula subatómica previamente desconocida llamada X17. El equipo informó por primera vez que encontró rastros de la partícula X17 en 2016, y ahora informan la detección de más evidencias de su existencia en un experimento diferente.

Si se confirman los resultados, la partícula X17 podría ayudar a explicar la materia oscura, la sustancia misteriosa que representa más del 80% de la masa en todo el Universo.

Puede ser el portador de una "quinta fuerza" más allá de las cuatro explicadas en el modelo estándar de física: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte.

Colisionando átomos
La mayoría de los investigadores que buscan nuevas partículas usan enormes aceleradores para hacer colisionar a las partículas subatómicas a alta velocidad y observan lo que sale de la explosión. El mayor de estos aceleradores es el Gran Colisionador de Hadrones en Europa, donde en 2012 se descubrió el bosón de Higgs, una partícula que los científicos habían estado buscando durante décadas.

El profesor Krasznahorkay y sus coautores de investigación han adoptado un enfoque diferente, realizando experimentos de dimensiones más pequeñas, en donde disparan las partículas subatómicas, llamadas protones, en los núcleos de diferentes átomos.

En 2016, observaron pares de electrones y positrones producidos cuando los núcleos de berilio-8 pasaron de un estado de alta energía a un estado de baja energía.

El berilio-8 (Be-8) es un radionúclido inestable con 4 neutrones y 4 protones. Es una resonancia libre y nominalmente un isótopo de berilio. Se descompone en dos partículas alfa con una vida media del orden de 10−16 segundos; Esto tiene ramificaciones importantes en la nucleosíntesis estelar, ya que crea un cuello de botella en la creación de elementos químicos más pesados.

El descubrimiento
En los experimentos, los investigadores encontraron una desviación, algo que esperaban ver, cuando había un gran ángulo entre los electrones y los positrones. Esta anomalía podría explicarse mejor si el núcleo emitiera una partícula desconocida que luego se "dividió" en un electrón y un positrón.

Esta partícula tendría que ser un bosón, que es el tipo de partícula que lleva fuerza, y su masa sería de alrededor de 17 millones de electronvoltios. Eso es casi tan pesado como 34 electrones, algo que es realmente ligero para una partícula como esta; El bosón de Higgs, por ejemplo, es más de 10,000 veces más pesado.

Debido a su masa, el profesor Krasznahorkay y su equipo llamaron a la partícula "hipotética X17". Ahora han observado un comportamiento extraño en los núcleos de helio-4 que también puede explicarse por la presencia de la partícula X17.

Esta última anomalía es estadísticamente significativa: con un nivel de certeza de siete sigma, lo que significa que solo existe una posibilidad muy pequeña de que el resultado se haya producido por casualidad. Esto está más allá del estándar habitual de cinco sigma para un nuevo descubrimiento, por lo que el resultado parece sugerir que hay una física nueva aquí.

Comprobación y doble comprobación
Sin embargo, el nuevo anuncio y el de 2016 se encontraron con escepticismo por parte de la comunidad física, el tipo de escepticismo que no existía cuando dos equipos anunciaron simultáneamente el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012.

Entonces, ¿por qué es tan difícil para los físicos creer que podría existir un nuevo bosón ligero como este?

Primero, los experimentos de este tipo son difíciles, y también lo es el análisis de los datos. Las evidencias, basadas en señales detectadas por los investigadores, pueden aparecer y desaparecer.

En 2004, por ejemplo, el grupo en Debrecen encontró evidencia que interpretaron como la posible existencia de un bosón aún más ligero, pero cuando repitieron el experimento, la señal se había ido.

En segundo lugar, uno debe asegurarse de que la existencia de la partícula X17 sea compatible con los resultados de otros experimentos. En este caso, tanto el resultado de 2016 con berilio como el nuevo resultado con helio pueden explicarse por la existencia de la partícula X17, pero aún es necesaria una verificación independiente de un grupo independiente.

El profesor Krasznahorkay y su grupo de investigación informaron por primera vez evidencia débil (en un nivel de tres sigma) para el descubrimiento de un nuevo bosón en 2012, en Italia.

Desde entonces, los científicos repitieron el experimento utilizando equipos de investigación mejorados y reprodujeron con éxito los resultados de berilio-8, lo cual es tranquilizador, al igual que los nuevos resultados con helio-4. Estos nuevos resultados se presentaron en el simposio HIAS 2019 en la Universidad Nacional de Australia en Canberra.

¿Qué tiene esto que ver con la materia oscura?
Los científicos creen que la mayor parte de la materia en el Universo es invisible para nosotros. La llamada materia oscura solo interactuaría con la materia normal muy débilmente. Podemos inferir que existe a partir de sus efectos gravitacionales en estrellas y galaxias distantes, pero nunca se ha detectado en el laboratorio.

La composición de la materia oscura se desconoce. Algunos de los candidatos a materia oscura pueden ser neutrinos ordinarios y pesados, partículas elementales recientemente postuladas como los WIMPs y los axiones, cuerpos astronómicos como las estrellas enanas, los planetas y las nubes de gases no luminosos. Las pruebas actuales favorecen los modelos en que el componente primario de la materia oscura son las nuevas partículas elementales llamadas colectivamente materia oscura no bariónica.

El componente de materia oscura tiene bastante más masa que el componente "visible" del Universo.​ Actualmente, se estima que la densidad de bariones ordinarios y la radiación en el Universo equivalen aproximadamente a un átomo de hidrógeno por metro cúbico de espacio.

Aproximadamente, sólo el 5% de la densidad de energía total en el Universo (inferido de los efectos gravitacionales) se puede observar directamente. Se estima que en torno al 23% está compuesto de materia oscura. El 72% restante consistiría en energía oscura, un componente incluso más extraño, distribuido difusamente en el espacio.

Alguna materia bariónica difícil de detectar contribuye a la materia oscura, aunque algunos autores defienden que constituye sólo una pequeña porción. Aun así, hay que tener en cuenta que del 5% de materia bariónica estimada (la mitad de ella todavía no detectada) se puede considerar materia oscura bariónica: todas las estrellas, galaxias y gas observables reúnen menos de la mitad de los bariones que se supone debería haber. Se cree que toda esta materia puede distribuirse en filamentos gaseosos de baja densidad, formando una red por todo el universo, en cuyos nodos se encuentran los diversos cúmulos de galaxias. En mayo de 2008, el telescopio XMM-Newton de la agencia espacial europea encontró pruebas de la existencia de dicha red de filamentos.

Entonces, ¿dónde entra en juego la partícula X17?
En 2003, Boehm demostró que una partícula como X17 podría existir, en un trabajo en coautoría con Pierre Fayet, que llevaría fuerza entre las partículas de materia oscura de la misma manera que los fotones, o partículas de luz, lo hacen para la materia ordinaria.

En uno de los escenarios propuestos por el equipo de investigadores, las partículas ligeras de materia oscura a veces podrían producir pares de electrones y positrones, de una manera similar a lo que ha visto el equipo del profesor Krasznahorkay.

Este escenario ha llevado a muchas búsquedas en experimentos de baja energía, que luego han descartado muchas posibilidades. Sin embargo, a pesar de descartar tantas posibilidades, la existencia de la partícula X17 aún no se ha descartado, porque el grupo de investigadores de Debrecen podría haber descubierto cómo las partículas de materia oscura se comunican con nuestro mundo.

Se requiere de más evidencia
Si bien los resultados de Debrecen son muy interesantes, la comunidad de físicos no estará convencida de que se haya encontrado una nueva partícula hasta que haya una confirmación independiente de este descubrimiento.

Por lo tanto, podemos esperar muchos experimentos en todo el mundo buscando un nuevo bosón liviano, para comenzar a buscar evidencia de la partícula X17 y su interacción con pares de electrones y positrones.

Si llega la confirmación, el próximo descubrimiento podría ser, a todas luces, las propias partículas de materia oscura.

Referencia del documento científico:
A.J. Krasznahorkay et al. 2019. Nueva evidencia que respalda la existencia de la hipotética partícula X17. arXiv: 1910.10459

A.J. Krasznahorkay et al. 2016. Observación de la creación de pares internos anómalos en 8Be: una posible indicación de un bosón ligero y neutro. Physical Review Letters, 116 (4): 042501; doi: 10.1103 / PhysRevLett.116.042501

Autores: Celine Boehm, directora de la escuela de física de la Universidad de Sydney, y Tibor Kibedi, investigador principal de física nuclear de la Universidad Nacional de Australia.

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