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CIENCIA. En busca de materia oscura a través de la quinta dimensión

 


Los físicos teóricos del PRISMA +  Cluster of Excellence en la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) están trabajando en una teoría que va más allá del Modelo Estándar de física de partículas y puede responder preguntas donde el Modelo Estándar tiene que pasar, por ejemplo, con respecto a la jerarquías de masas de partículas elementales o existencia de materia oscura

El elemento central de la nueva teoría es una dimensión extra en el espacio-tiempo. Hasta ahora, los científicos se han enfrentado al problema de que las predicciones de su teoría no podían probarse experimentalmente. Ahora han superado este problema en una reciente publicación en la European Physical .

Ya en la década de 1920, en un intento por 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 4 dimensiones. Si existe, esa nueva dimensión tendría que ser increíblemente diminuta e imperceptible para el ojo humano.

A finales de la década de 1990, esta idea experimentó un notable renacimiento cuando se dio cuenta de 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 en los EE.UU., demostraron en una publicación muy citada que la incrustación del Modelo Estándar de física de partículas en un espacio-tiempo de 5 dimensiones podría explicar lo ocurrido hasta ahora: patrones misteriosos vistos en las masas de partículas elementales.

Otros 20 años después, el grupo del profesor Matthias Neubert, desde 2006 en la facultad de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz y portavoz del PRISMA + Cluster of Excellence, hizo otro descubrimiento inesperado: encontraron que las ecuaciones de campo de 5 dimensiones predijeron la existencia de una nueva partícula pesada con propiedades similares al famoso bosón de Higgs pero una masa mucho más pesada, tan pesada, de hecho, que no se puede producir ni siquiera en el colisionador de partículas de mayor energía del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el Centro europeo de investigación nuclear CERN cerca de Ginebra en Suiza.

El desvío a través de la quinta dimensión

En un artículo reciente publicado en European Physical Journal C , los investigadores encontraron una resolución espectacular a este dilema. Descubrieron que su partícula propuesta necesariamente mediaría una nueva fuerza entre las partículas elementales conocidas de nuestro universo visible y la misteriosa materia oscura, el sector oscuro.

Incluso la abundancia de materia oscura en el cosmos, como se observa en experimentos astrofísicos, puede explicarse por su teoría. Esto ofrece nuevas y emocionantes formas de buscar los constituyentes de la materia oscura, literalmente a través de un desvío a través de 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.

“Después de años de buscar posibles confirmaciones de nuestras predicciones teóricas, ahora confiamos en que el mecanismo que hemos descubierto haría que la materia oscura sea accesible para 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 - se puede calcular con precisión dentro de nuestra teoría ”, dijo el profesor Matthias Neubert, jefe del equipo de investigación.

Al final, la nueva partícula puede descubrirse 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.

Fuente: “A warped scalar portal to fermionic dark matter” by Adrian Carmona, Javier Castellano Ruiz and Matthias Neubert, 20 January 2021, The European Physical Journal CDOI: 10.1140/epjc/s10052-021-08851-0


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