Quinta fuerza

Una forma de buscar una quinta fuerza es mediante pruebas del principio de equivalencia fuerte , una de las pruebas más poderosas de la relatividad general , también conocida como la teoría de la gravedad de Einstein. Las teorías alternativas de la gravedad, como la teoría de Brans-Dicke , postulan una quinta fuerza , posiblemente con alcance infinito. Esto se debe a que las interacciones gravitacionales, en teorías distintas de la relatividad general, tienen grados de libertad diferentes a la "métrica" , que determina la curvatura del espacio, y los distintos grados de libertad producen efectos diferentes. Por ejemplo, un campo escalar no puede producir la desviación de los rayos de luz .

La quinta fuerza se manifestaría en un efecto sobre las órbitas del sistema solar, llamado efecto Nordtvedt . Esto se prueba con el experimento Lunar Laser Ranging ^{[ 11 ]} y la interferometría de línea de base muy larga .

Otro tipo de quinta fuerza, que surge en la teoría de Kaluza-Klein , donde el universo tiene dimensiones extra , o en la supergravedad o la teoría de cuerdas, es la fuerza de Yukawa , que es transmitida por un campo escalar ligero (es decir, un campo escalar con una longitud de onda Compton larga , que determina el alcance). Esto ha generado mucho interés recientemente, ya que una teoría de grandes dimensiones extra supersimétricas —dimensiones con un tamaño ligeramente menor a un milímetro— ha impulsado un esfuerzo experimental para probar la gravedad en escalas muy pequeñas. Esto requiere experimentos extremadamente sensibles que buscan una desviación de la ley del inverso del cuadrado de la gravedad en un rango de distancias. ^{[ 12 ]} Esencialmente, buscan señales de que la interacción de Yukawa se activa a cierta longitud.

Investigadores australianos, al intentar medir la constante gravitacional en las profundidades de un pozo minero, encontraron una discrepancia entre el valor predicho y el medido, siendo este último un dos por ciento menor. Concluyeron que los resultados podrían explicarse por una quinta fuerza repulsiva con un alcance de entre unos pocos centímetros y un kilómetro. Se han realizado experimentos similares a bordo del submarino USS Dolphin (AGSS-555) , mientras se encontraba sumergido a gran profundidad. Otro experimento que midió la constante gravitacional en un pozo profundo en la capa de hielo de Groenlandia halló discrepancias de unos pocos por ciento, pero no fue posible descartar una fuente geológica para la señal observada. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Jain et al. (2012) ^{[ 15 ]} examinaron datos existentes sobre la tasa de pulsación de más de mil estrellas variables cefeidas  en 25 galaxias. La teoría sugiere que la tasa de pulsación de las cefeidas en galaxias protegidas de una hipotética quinta fuerza por cúmulos vecinos seguiría un patrón diferente al de las cefeidas que no están protegidas. No pudieron encontrar ninguna variación con respecto a la teoría de la gravedad de Einstein.

Algunos experimentos utilizaron un lago más una torre que es320  metros de altura. ^{[ 16 ]} Una revisión exhaustiva realizada por Ephraim Fischbach y Carrick Talmadge sugirió que no hay evidencia convincente de la quinta fuerza, ^{[ 17 ]} aunque los científicos aún la buscan. El artículo de Fischbach-Talmadge fue escrito en 1992, y desde entonces, han surgido otras evidencias que podrían indicar una quinta fuerza. ^{[ 18 ]}

Los experimentos anteriores buscan una quinta fuerza que, como la gravedad, sea independiente de la composición de un objeto, de modo que todos los objetos experimenten la fuerza en proporción a sus masas. Las fuerzas que dependen de la composición de un objeto pueden ser probadas con gran sensibilidad mediante experimentos de balanza de torsión del tipo inventado por Loránd Eötvös . Dichas fuerzas pueden depender, por ejemplo, de la proporción de protones a neutrones en un núcleo atómico, el espín nuclear, ^{[ 19 ]} o la cantidad relativa de diferentes tipos de energía de enlace en un núcleo (véase la fórmula de masa semiempírica ). Se han realizado búsquedas desde rangos muy cortos, hasta escalas municipales, hasta la escala de la Tierra , el Sol y la materia oscura en el centro de la galaxia.

En 2015, Attila Krasznahorkay en ATOMKI , el Instituto de Investigación Nuclear de la Academia Húngara de Ciencias en Debrecen , Hungría, y sus colegas postularon la existencia de un nuevo bosón ligero solo 34  veces más pesado que el electrón (17  MeV). ^{[ 20 ] [ 21 ]} En un esfuerzo por encontrar un fotón oscuro , el equipo húngaro disparó protones contra blancos delgados de litio-7 , lo que creó núcleos inestables de berilio-8 que luego se desintegraron y eyectaron pares de electrones y positrones. Se observaron desintegraciones en exceso en un ángulo de apertura de 140° entre el e ⁺ y el e ⁻ , y una energía combinada de 17  MeV, lo que indicó que una pequeña fracción de berilio-8 desprenderá energía en exceso en forma de una nueva partícula.

Feng et al . (2016) ^{[ 22 ]} propusieron una teoría para el bosón X protofóbico (es decir, "ignorante de protones") con una masa de 16,7  MeV con acoplamientos suprimidos a protones en relación con neutrones y electrones y un rango de femtómetros que podría explicar los datos. La fuerza podría explicar la anomalía g − 2 del muón y proporcionar un candidato a materia oscura. ^{[ 22 ]} En 2022, otra medición experimental del mismo equipo húngaro, pero basada en colisiones C-12 Be-11, proporcionó evidencia adicional para este bosón, ahora llamado X-17. ^{[ 23 ]} La comunidad científica ha expresado escepticismo sobre los resultados experimentales, ya que el equipo involucrado tiene poca interacción con la comunidad de física de partículas y tiene un historial de informes que no se pueden replicar. ^{[ 24 ]}