jueves, 9 de junio de 2016

Las pruebas de una ‘quinta fuerza’ se enfrentan al escrutinio #Ciencia Kanija 2.0 #noticias


Artículo publicado por Natalie Wolchover el 7 de junio de 2016 en Quanta Magazine

Un laboratorio en Hungría ha informado de una anomalía que podría llevar a una revolución de la física. Pero aunque ha aumentado el entusiasmo, un escrutinio más detallado ha desvelado una problemática historia de fondo.

El año pasado, un equipo de físicos nucleares en Hungría observaron una anomalía en la desintegración de átomos de berilio-8 excitados — una preferencia inesperada por emitir pares de partículas con un ángulo de separación específico. El pico en los datos de los físicos era inconfundible, con unas probabilidades de menos de una entre 100 000 millones de surgir por azar. Informaron de dicha anomalía en el ejemplar de enero de Physical Review Letters, y los investigadores defendían que podría indicar la presencia de una nueva partícula fundamental, pero inicialmente pocos hicieron caso.

Transición esperada e hipotética para el berilio-8

Transición esperada e hipotética para el berilio-8 Crédito: Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

Esto cambió en abril, con un artículo que generó mucho más debate escrito por Jonathan Feng, físico teórico de partículas en la Universidad de California, en Irvine, y sus colegas. Tras pasar meses traduciendo el hallazgo de la física nuclear al lenguaje de la física de partículas, y asegurarse de que ningún experimento de la física de partículas lo contradecía, el equipo de Irvine determinó que la anomalía del berilio-8 se explica "maravillosamente" mediante la presencia de un "bosón vectorial" anteriormente desconocido — un tipo de partícula que haría uso de una quinta fuerza de la naturaleza.

El bosón propuesto se ha convertido en la comidilla de los departamentos de física de todo el mundo, y ya hay en marcha planes para poner a prueba la idea. De confirmarse la partícula, sería, con toda seguridad, un "billete para Estocolmo" que "abriría totalmente nuestra comprensión del universo", comenta Jesse Thaler, físico teórico de partículas en el MIT. Al contrario que el bosón de Higgs — la partícula descubierta en 2012 que era la pieza que faltaba en el Modelo Estándar de la física de partículas — este bosón no previsto y su fuerza acompañante marcarían el camino hacia una teoría más completa de la naturaleza. Los físicos buscan desesperadamente una extensión del Modelo Estándar que explique la materia oscura, la masa del neutrino, la unificación de las fuerzas, y otros misterios. (En un próximo artículo, el equipo de Irvine propondrá una extensión del Modelo Estándar que incluye el nuevo bosón). Enfatizando que tiene el listón muy alto para las anomalías experimentales tras ver muchos picos ir y venir en el pasado, Feng dice: "Estoy más entusiasmado de lo que había estado en mucho tiempo por estas cosas".

Merece la pena destacar que, mientras que se necesitó el mayor supercolisionador del mundo para producir el pesado bosón de Higgs, el hipotético bosón húngaro es tan ligero, con una masa sólo 34 veces superior a la del electrón, que podría haber aparecido hace décadas en los experimentos. De existir, ¿cómo ha pasado desapercibido durante tanto tiempo? La mayoría de expertos seguirán siendo escépticos hasta que aparezcan más pruebas de la partícula — incluso Feng. "Es una afirmación enorme decir que se ha descubierto una quinta fuerza, y lo reconozco", comenta. "Obviamente, se necesita una comprobación".

Rouven Essig, físico teórico de partículas en la Universidad de Stony Brook que se describe a sí mismo como "muy escéptico", dice que "sería una locura no comprobarlo porque, de ser cierto, sería algo fantástico; reescribiría nuestro conocimiento, sería algo grandioso".

Pero aunque se acumula cada vez más interés, también ha aumentado el escrutinio sobre el experimento húngaro, y han aparecido algunas banderas rojas. Oscar Naviliat-Cuncic de la Universidad Estatal de Michigan, físico nuclear que ha examinado la historia y las credenciales del grupo húngaro más en detalle que la mayoría, ahora duda seriamente del informe. "Para mí, resulta bastante increíble que esto se publicase en Physical Review Letters", comenta.

Una afirmación importante

Ninguno de los otros físicos entrevistados para este artículo había escuchado hablar de los investigadores del Instituto de Investigación Nuclear de la Academia Húngara de Ciencias (Atomki), en Debrecen, antes de que aparecieran con su audaz afirmación en el servidor de borradores científicos de arxiv.org en abril de 2015. Incluso entonces, el tema no tuvo repercusión. Bartosz Fornal, investigador de posdoctorado en Irvine, dio con el borrador por casualidad en diciembre, a través de una búsqueda en Google. Aunque no había recopilado citas en los meses intermedios, Fornal, Feng y sus colegas estaban intrigados. Atribuían el silencio al choque cultural que separa la física nuclear de la de partículas: "Los físicos nucleares no sabían qué hacer con él" dado que lograr nuevas partículas no es realmente su tarea, comenta Feng, "y los físicos de partículas, que por supuesto están extremadamente interesados en cualquier señal de una nueva partícula, simplemente no leen el listado de arxiv [de física nuclear experimental]".

En un artículo publicado por ellos mismos en arxiv.org en abril de este año, y enviado para su publicación, el equipo de Irvine describe los resultados de los científicos del Atomki de la siguiente forma: Cuando un núcleo de berilio-8 sufre una transición particular, se desprende de energía y, normalmente, una unidad de espín cuántico — casi siempre en la forma de una partícula de luz, o fotón, que es el mediador de la fuerza electromagnética. A veces, el fotón se desintegra inmediatamente en un electrón y un positrón, que se ven impulsados por el momento del fotón e impactan con el detector uno cerca del otro. Pero por cada millón de desintegraciones de fotones, una vez, según la hipótesis de Feng y sus colegas, el berilio-8 arroja un tipo distinto de bosón vectorial, temporalmente conocido como X, que hace de intermediaron de una oscura y nueva fuerza fundamental. (Las cuatro fuerzas conocidas son el electromagnetismo, la gravedad, la fuerza nuclear débil, y la fuerza nuclear fuerte). Este bosón X de movimiento lento, con una masa de unos 16,7 millones de electrón volts (MeV), se divide en un par de electrón-positrón. Debido a que no tiene un empuje tan grande como el producto de desintegración de los fotones, los restos del bosón X divergen en un ángulo mayor, impactando en el detector con aproximadamente 140 grados de separación.

Un experimento distinto ya había buscado, y descartado, una versión más simple de tal partícula — un "fotón oscuro" de 16,7 MeV-, el cual interactuaría con las partículas conocidas de la misma forma (aunque, quizá, menos habitualmente) que los fotones normales, y también interactuaría más fuertemente con las desconocidas partículas de materia oscura. Pero el grupo, empezando con una idea de Susan Gardner, miembro del equipo de Irvine en un año sabático en la Universidad de Kentucky, ideó una variación que no se había descartado: el bosón X puede que no se haya detectado anteriormente debido a que interactúa con protones y neutrones de forma contraria a como los hacen los fotones. En lugar de interactuar con protones e ignorar a los neutrones, el bosón X propuesto interactúa con los neutrones pero es "protofóbico", ignorando a los protones.

Los investigadores empezaron a buscar pruebas de bosones protofóbicos en los datos existentes de LHCb, un experimento de física de partículas en el LHC. En los próximos años, experimentos llevados a cabo en el Triangle Universities Nuclear Laboratory en Durham, Carolina del Norte, el Thomas Jefferson National Accelerator Facility en Newport News, Virgnia, y otros lugares podrían también confirmar o descartar la existencia de la partícula.

Pero cuando la cobertura mediática sobre la teoría de la quinta fuerza y los planes para ponerla a prueba aparecieron recientemente en Nature News, Naviliat-Cuncic, que realiza experimentos de desintegración nuclear, leyó sobre ello con escepticismo. "Parecía que había mucho entusiasmo por ello, pero no leían el trabajo anterior [del grupo húngaro]", comenta.

Un pandemonio de bosones

El grupo de Atomki ha generado tres artículos anteriores sobre experimentos con berilio-8 — en actas de conferencias en 2008, 2012, y 2015. El primer artículo afirma tener pruebas de un nuevo bosón con una masa de 12 MeV, y el segundo describía una anomalía que se corresponde con un bosón de 13,45-MeV. (El tercero era una versión preliminar del publicado en Physical Review Letters). Los dos primeros picos han desaparecido en los últimos datos, recopilados usando una nueva configuración experimental. "La nueva reclamación ahora es un bosón con una masa de 16,7 MeV", señala Naviliat-Cuncic. "Pero no dicen nada sobre lo que fue mal en las afirmaciones previas y por qué no deberíamos tomar en serio esas afirmaciones". Uno naturalmente se pregunta: "¿Este valor que citan ahora va a cambiar en los próximos cuatro años?".

En los artículos y en un correo electrónico, el grupo húngaro expresó su gratitud hacia Fokke de Boer, un físico holandés que dirigió los experimentos desde 2001 a 2005. La investigación de Naviliat-Cuncic reveló que de Boer había estado informando de anomalías en las transiciones nucleares, y atribuyéndolas a bosones perdidos, durante décadas, raramente replicando sus resultados de un experimento a otro. En sus años en Atomki, de Boer detectó múltiples anomalías en las transiciones nucleares del berilio, carbono y oxígeno — pruebas, según afirmaba, de "un pandemonio de más de 10 candidatos a bosones".

Cuando mejoraron su aparataje experimental, desapareció el pandemonio de bosones. "No estaba nada contento por no poder confirmar sus anteriores resultados con nuestro nuevo espectrómetro", dijo Attila Krasznahorkay, actual director del grupo de Atomki. Los bosones de De Boer no volvieron a aparecer en los posteriores hallazgos, pro conforme ajustaban sus instrumentos, continuaron lanzando nuevas posibilidades. Este vez, comenta Krasznahorkay, "tenemos mucha más confianza en nuestros resultados experimentales". De Boer, que falleció en 2010, no estuvo implicado en el trabajo.

Cuando se le preguntó más, Krasznahorkay no explico por completo la desaparición de las anomalías previas. No hizo mención al pico de 12 MeV y afirmaba que el pico de 13,45 MeV en realidad era el de 16,7 MeV, incorrectamente medido — una posibilidad que Naviliat-Cuncic considera improbable cuando se comparan ambos picos. Martin Savage, físico interdisciplinar de partículas y nuclear en la Universidad de Washington, está de acuerdo en que la explicación parece improbable, pero dice que incluso si es cierta, las suposiciones tácitas de la medida errónea de 13,45 MeV genera dudas. "Si una colaboración científica hace una afirmación sobre el descubrimiento de una nueva partícula, está obligada a comprender y estimar las incertidumbres sistemáticas asociadas con las medidas", comenta. "En lo que respecta a la señal de 12 MeV, tendrían que ser capaces de explicar exactamente de dónde procedía y por qué ya no está presente, para demostrar convincentemente que comprenden su aparataje experimental".

Lo que Naviliat-Cuncic encuentra más asombroso en la historia de Krasznahorkay de la última década es que su grupo no logró informar de ninguno de los resultados que no indicaban nuevos bosones; en lugar de esto, parece que vieron estos experimentos como fallos. "¿No es una flagrante (e ingenua) asunción de sesgo?", comenta. Thaler explica, "El estándar en la física de partículas es el análisis ciego, donde primero decides lo que vas a medir, realizas todas las comprobaciones sin mirar el resultado final, y luego informas de los resultados sin importar la salida". No hacer esto "suena a elegir las pruebas que te convienen", dice, lo cual "puede verse como una forma de crear falsos positivos".

Al responder a una solicitud de comentarios sobre estas dudas y la decisión de publicar el artículo en Physical Review Letters, Kevin Dusling, editor asociado de la revista, apuntó que los detalles del proceso de revisión son confidenciales, pero que los revisores "encontraron que el trabajo tenía el suficiente interés e importancia, y estaba libre de errores detectables".

Los físicos de Irvine señalan que el aparataje experimental del equipo húngaro ha mejorado desde las medidas de 2012. Además, el pico en 16,7 MeV es mucho más pronunciado y similar a una partícula que sus precursores. Y, sorprendentemente, de la misma masa que la calculada para un bosón propuesto para  el ángulo de 140 grados entre electrones y positrones, y para sus energías combinadas. "Personalmente, éste fue mi prueba de fuego debido a que pensaba que esto era realmente notable", comenta Gardner. "Todo lo que podría decir es que [el artículo] no parece que tenga ningún error obvio. Logramos encontrar una solución teórica que une distintas búsquedas por todo el mundo, y este resultado encaja perfectamente". En cualquier caso, añade Feng, "tanto nosotros como otros han identificado muchos experimentos que podrían comprobar los resultados y, por tanto, es una cuestión de tiempo conocer la respuesta".

Dada la extraordinaria afirmación de un nuevo bosón y una quinta fuerza fundamental, el problemático informe del equipo húngaro no puede considerarse como una prueba extraordinaria. Pero, ¿podría ser que estos científicos, al tercer intento, hayan dado con una revolución en la física? Su historia "es una razón para tomarlo con calma", comenta Thaler, pero "sigo creyendo que deberían realizarse estudios de seguimiento sobre esta interesante anomalía". Un pico con oscuros orígenes ha captado la atención mundial, y ahora no hay vuelta atrás.