Viendo la quinta dimensión a través de la materia oscura

Una nueva idea sugiere que podemos ver interacciones entre la materia oscura y la quinta dimensión del espacio-tiempo. Crédito de la imagen: The Cosmic Companion / Pete Linforth / Pixabay

Por James Maynard / Feb 3, 2021

Traducido por L. Domenech

¿Podría vislumbrarse una quinta dimensión de la naturaleza a través de interacciones con la materia oscura?

Una teoría de la materia oscura que va más allá del modelo estándar de física sugiere que la materia oscura puede verse a través de interacciones dentro de la quinta dimensión.

Esta idea podría permitir a los físicos probar ideas fascinantes, potencialmente explicando mucho sobre la naturaleza misma del espacio-tiempo.

“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 que realizó el hallazgo.

No, esta es la OTRA Quinta Dimensión. Crédito de la imagen: Soul City Records

Este es el amanecer de la era de Kaluza / Klein

Normalmente pensamos en las coordenadas del espacio utilizando tres dimensiones espaciales y una temporal (tiempo). Para comunicar dónde reunirse para una reunión en una ciudad bien ordenada, sería necesario comunicar las dos dimensiones de las calles transversales (6th Street y 4th Ave), así como la elevación (sexto piso) y la hora (jueves a las cuatro). En física, estas cuatro dimensiones están envueltas en el concepto de coordenadas del espacio-tiempo.

Sin embargo, muchos físicos teóricos han sugerido que, a escalas extremadamente pequeñas, puede haber dimensiones adicionales más allá de la izquierda y la derecha, arriba y abajo, y adelante y atrás. Tal composición de la naturaleza explicaría varios misterios, incluidas las masas de partículas o la naturaleza de la materia oscura.

Theodor Kaluza (izquierda) y Oskar Klein (derecha), físicos que fueron los primeros en postular dimensiones adicionales más allá de las que normalmente experimentamos. Imágenes de dominio público.

La idea de dimensiones adicionales además de las que usamos en nuestra vida cotidiana se remonta a la década de 1920. En ese momento, los físicos Theodor Kaluza y Oskar Klein intentaban encontrar una teoría que unificara el electromagnetismo con la gravedad. El equipo sugirió por primera vez que nuestro Cosmos puede albergar más que nuestros conceptos tradicionales de espacio-tiempo.

Esta idea avanzó en la década de 1990, cuando los físicos descubrieron que agregar dimensiones adicionales a sus ecuaciones les permitía resolver fácilmente varios problemas en física de partículas.

Deje entrar la partícula subatómica

"No conocía las dimensiones completas de la eternidad, pero sabía que era más que esperar a que llegara la Navidad". - Richard Brautigan

No es sorprendente que se vean partículas elementales que poseen una amplia gama de masas. Sorprendentemente, estas masas muestran patrones regulares e inexplicables.

Yuval Grossman de la Universidad de Stanford y Matthias Neubert, entonces profesor de la Universidad de Cornell, encontraron una posible respuesta al misterio. Cuando ampliaron el modelo estándar de física para incluir una quinta dimensión, estos patrones de masa se explicaron por primera vez. Este emparejamiento también predice con éxito la concentración observada de materia oscura alrededor del Cosmos.

El Profesor Matthias Neubert, actualmente en la Universidad Johannes Gutenberg.  Mainz.
Image credit: Werner Feldmann

Dos décadas más tarde, el profesor Matthias Neubert, que actualmente trabaja en la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, descubrió que si estuviera presente una quinta dimensión, produciría una partícula superpesada hasta ahora invisible.

Esta partícula subatómica se parecería al bosón de Higgs más famoso, pero sería mucho más masivo. Esta partícula tendría una masa muy superior a cualquier cosa que puedan producir los aceleradores de partículas actuales, incluso el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el Centro Europeo de Investigación Nuclear CERN en las afueras de Ginebra.

"Fue una pesadilla. Estábamos entusiasmados con la idea de que nuestra teoría predijera una nueva partícula, pero parecía imposible confirmar esta predicción en ningún experimento previsible ”, afirma Javier Castellano Ruiz, estudiante de doctorado que trabajó en el estudio. Por más seguros que estén los físicos del modelo estándar, no había forma de probar la teoría de una quinta dimensión, hasta ahora.

El físico Brian Greene explica cómo las dimensiones adicionales podrían afectar nuestros modelos del Universo. Crédito de video: Ted-Ed.

“El descubrimiento del bosón de Higgs en el LHC representó el último paso hacia el establecimiento del Modelo Estándar (SM) como una teoría sólida que describe los constituyentes de la materia y sus interacciones hasta distancias muy cortas. Sin embargo, todavía hay algunas preguntas que no tienen respuesta dentro del SM ”, describen los investigadores en su estudio publicado en European Physical Journal C.

Esta partícula recién postulada mediaría una fuerza desconocida entre las partículas elementales familiares y la materia oscura. Estas interacciones, especulan los investigadores, podrían detectarse mediante experimentos, proporcionando la primera evidencia física de dimensiones adicionales.

El artículo original se puede leer en inglés en Medium / Astronomy News