Puede haber impartículas al acecho en el manto de la Tierra

Investigadores de la Universidad de Amherst y la Universidad de Texas en Austin, ambas en Estados Unidos, describen en la revista Science una nueva técnica que algún día podría revelar en mayor detalle la composición y características de las profundidades de la Tierra

El único inconveniente es que la técnica se basa en una quinta fuerza de la naturaleza, además de la gravedad, las fuerzas nucleares débil y fuerte y el electromagnetismo, que aún no ha sido detectada pero que algunos físicos de partículas cree que puede existir. Los físicos llaman a este tipo de fuerza de largo alcance acoplamiento espín-espín.

Si existe, esta nueva fuerza exótica conectaría la materia en la superficie terrestre con cientos o incluso miles de kilómetros de materia por debajo, y en zonas profundas del manto de la Tierra. Los bloques de construcción de los átomos, electrones, protones y neutrones separados por grandes distancias «sentirán» la presencia de los otros.

«Lo más gratificante y sorprendente de este proyecto fue darse cuenta de que la física de partículas en realidad se podría utilizar para estudiar el interior terrestre», dice Jung-Fu «Afu» Lin, profesor asociado de la Escuela Jackson de Geociencias en la Universidad de Texas en Austin, autor del estudio junto a otros colegas.

Cuando los científicos de la Tierra han intentado estudiar cómo varían con la profundidad los factores tales como la concentración de hierro y las propiedades físicas y químicas de la materia, por ejemplo, utilizando la forma en la que un terremoto retumba por la Tierra, o por medio de experimentos de laboratorio diseñados para imitar las intensas temperaturas y presiones de la profundidad de la Tierra, han obtenido respuestas diferentes. La quinta fuerza, suponiendo que exista, podría ayudar a reconciliar estas líneas en conflicto.

El manto de la Tierra es una gruesa capa geológica intercalada entre la fina corteza exterior y el núcleo central, compuesta principalmente de minerales que contienen hierro. Los átomos de los minerales y las partículas subatómicas que componen los átomos tienen una propiedad llamada espín, que puede imaginarse como una flecha que apunta en una dirección particular.

Se cree que el campo magnético de la Tierra causa que algunos de los electrones en estos minerales del manto se polaricen ligeramente por el espín, es decir, las direcciones en las que giran no son completamente aleatorias, aunque sí tienen alguna orientación preferida. Estos electrones se han denominado geoelectrones.

El objetivo de este proyecto era ver si los científicos pueden utilizar interacción espín-espín de largo alcance para detectar la presencia de los distantes geoelectrones. Los investigadores, dirigidos por Larry Hunter, profesor de Física en la Universidad de Amherst, crearon por primera vez un modelo informático del interior de la Tierra para cartografiar las densidades esperadas y las direcciones de giro de los geoelectrones.

El modelo se basa en parte en los conocimientos adquiridos a partir de experimentos de laboratorio de Jug-Fu Lin que midieron el giro de los electrones en minerales a altas temperaturas y presiones del interior de la Tierra. Este mapa dio a los científicos pistas acerca de la fuerza y la orientación de las interacciones que pueden esperar detectar en su ubicación específica en el laboratorio en Amherst, Massachusetts.

En segundo lugar, los investigadores utilizaron un aparato especialmente diseñado para buscar interacciones entre geoelectrones profundos en las partículas subatómicas en el manto y la superficie terrestre. Los experimentos del equipo, en esencia, exploraron si los espines de los electrones, neutrones o protones en diferentes laboratorios pueden tener una energía diferente, dependiendo de la dirección con respecto a la que estaban apuntando con respecto a la tierra.

Interacciones muy débiles

«Sabemos, por ejemplo, que un imán tiene una energía más baja cuando está orientado paralelo al campo geomagnético y se alinea con esta dirección particular, que es como funciona una brújula —explica Hunter—. Nuestros experimentos eliminaron esta interacción magnética y analizaron si podría haber algún otro tipo de interacción con nuestros espines experimentales. Una interpretación de esta otra interacción es que podría haber una interacción de largo alcance entre los espines en nuestro aparato y los giros del electrón dentro de la Tierra, que han sido alineados por el campo geomagnético. Ésta es interacción espín-espín de larga distancia que estábamos buscando».

Aunque el aparato no pudo detectar estas interacciones, los investigadores pudieron al menos inferir que tales interacciones, si existen, deben ser muy débiles, no más de una millonésima parte de la fuerza de la atracción gravitacional entre las partículas. Esta información resulta útil para que los científicos encuentren formas de construir instrumentos cada vez más sensibles a la búsqueda de la quinta fuerza, difícil de alcanzar.

Las impartículas

Hay tres posibilidades para de dónde viene esta fuerza. La primera es una partícula llamada la impartícula, que se comporta como los fotones (partículas de luz) en algunos aspectos, y como las partículas de la materia en otros. La segunda es una llamada Z ‘(se pronuncia «Z-prima»), una prima más ligera del bosón Z que transporta la fuerza nuclear débil. Tanto las impartículas y como las Z surgen de las extensiones de las actuales teorías físicas. Y la tercera posibilidad es que no haya ninguna nueva partícula en absoluto, pero que la teoría de la relatividad tenga algún componente que esté afectando el espín.

Las impartículas fueron propuestas por primera vez en 2007 por el físico Howard Georgi, de Harvard. Las partículas tienen una masa definida, a menos que sean fotones, que no tienen masa. La masa de un electrón o protón no puede cambiar por más momento que tengan; si se da un cambio de masa (y por tanto su energía) se cambia el tipo de partícula que es. Las impartículas tendrían una masa-energía variable.

Aunque los científicos aún no han encontrado una nueva partícula conectada a esta fuerza, hicieron notar que la interacción espín-espín de largo alcance tenía que ser menor en un factor de 1 millón a lo que mostraban los experimentos anteriores. Si la fuerza existe, es tan pequeña que la fuerza gravitatoria entre dos partículas como el electrón y el neutrón es un millón de veces más fuerte.

El tipo normal de la interacción espín, mediado por fotones, sólo opera a distancias muy cortas, como el magnetismo de un imán de refrigerador. Por ejemplo, las fuerzas magnéticas caen el cubo inverso de la distancia: se aleja al doble de distancia y la intensidad de la fuerza disminuye en un factor de ocho. Las fuerzas espín-espín de largo alcance parecen no disminuir en cualquier lugar, ni cerca ni lejos. Los físicos han estado buscando las partículas que transportan este tipo de interacción durante años, pero no las encontraron. El experimento Amherst pone límites más estrictos de lo fuerte que es la fuerza, lo que da a los físicos una mejor idea de dónde buscar.

Fuente: varios medios. Aportado por Eduardo J. Carletti

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