La expresión “fotón oscuro” es un oxímoron porque fotón significa luz y oscuro es la ausencia de iluminación. No obstante, “fotón oscuro” es la mejor manera de señalar a un mensajero de la oscuridad al que podemos ver como si fuera luz.
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Aún no olvidamos que, hace cuatro años, un experimento en Hungría anunció haber detectado una nueva partícula. El nuevo objeto no está en los catálogos de lo conocido, pero antes de incluirlo es necesario que otros grupos de investigadores experimentales lo vean también, confirmando el anuncio de manera independiente.
Cuando en enero de 2016 se reportó por primera parecía estar presente en los eventos que se estudian en el laboratorio con una masa 34 veces mayor que la del conocido electrón. El fotón oscuro representaría a la quinta fuerza que ha estado siempre en la imaginación de los físicos, pero de la que no tenemos evidencia.
La importancia de la noticia fue tal que de inmediato otros experimentos se dieron a la tarea de buscar la prometedora señal. En el CERN (por sus siglas del francés: Centro Europeo de Investigaciones Nucleares), un experimento especializado en la búsqueda de eventos raros estudió cuidadosamente los datos recopilados y en junio de 2018 publicó sus resultados: el fotón oscuro que vieron los investigadores húngaros no apareció por ningún lado. Sin embargo, ahora el mismo grupo de físicos experimentales del Instituto de Investigaciones Nucleares de la Academia de Ciencias de Hungría (ATOMKI) vuelve a la carga y anuncia evidencia de que un mensajero de la oscuridad está presente ahora en un experimento ligeramente distinto al anterior. La partícula tiene características parecidas a las vistas anteriormente, es decir, se desintegra de la misma manera y pesa lo mismo, de manera que la reciente observación refuerza al resultado de antaño.
Cuando se comunicó el hallazgo la primera vez, el experimento había usado el elemento químico berilio, que se produce al bombardear con protones a los átomos del elemento litio.
El berilio que se produce de esta manera es muy inestable y al poco tiempo emite un fotón. El fotón convencional que todos conocemos y que es la partícula que forma a la luz, se convierte en un par electrón y antielectrón mediante un proceso muy familiar. Hasta aquí todo transcurre conforme a lo esperado. Lo curioso es que el berilio, en algunas ocasiones, en lugar de estabilizarse emitiendo un fotón lo hace con la radiación de un fotón oscuro. Este desconocido fotón oscuro produce electrones y antielectrones al igual que los fotones convencionales, pero al hacerlo deja ver su presencia porque el ángulo de apertura entre electrones y positrones es más grande que cuando provienen de un fotón común.
Al ser cuestionados por la comunidad mundial especializada los investigadores decidieron buscar de otra manera el efecto que anunciaron. Ahora utilizan helio en lugar de berilio.
El helio es el elemento más ordinario. Llenamos globos para que se mantengan arriba mientras los niños los detienen de un hilo para que no escapen. Sin embargo, el helio usado en la búsqueda de una nueva partícula es también el resultado de bombardear con un protón al tritio, que antes de ser alcanzado por el protón-proyectil solo tiene dos protones y dos neutrones. El helio es producido así en el momento de hacer el experimento y el helio que se forma de esta manera se encuentra en un estado excitado e inestable.
Al ser producido en los choques de un protón, el helio emite rápidamente un fotón. En otras palabras, el helio se estabiliza también con la emisión de luz, como antes lo hacía el berilio en el arreglo experimental. Aquí nuevamente se observa un exceso de eventos en los que el fotón se comporta distinto al fotón común.
En la naturaleza existen cuatro fuerzas fundamentales: la fuerza de gravedad que todos experimentamos, la electromagnética —que también conocemos por la cantidad de aplicaciones que hemos encontrado en ella a través de los fenómenos eléctricos y magnéticos—, así como la fuerza débil y la fuerza fuerte que, por tener efecto en la escala del mundo microscópico, son menos familiares.
La búsqueda de una quinta fuerza, más allá de las cuatro conocidas, es una de las grandes vertientes de la investigación desde hace mucho tiempo.
La nueva partícula a la que hemos llamado fotón oscuro (o X17 en algunos casos) sería la evidencia de que hay una quinta fuerza más allá de las cuatro que conocemos.
El helio se estabiliza irradiando luz. La mayoría de las veces emite fotones convencionales, como se ve arriba, pero de vez en cuando parece producir una nueva partícula, como se indica abajo.
La existencia de una partícula mediadora de una quinta fuerza contribuiría al inventario de materia en el Universo. Como sabemos, la mayor parte de lo que vemos en él sigue siendo un misterio al que hemos llamado “materia oscura”. Observar partículas adicionales que no estaban en el inventario ayudaría a entender mejor el contenido y la estructura del Universo.
En caso de confirmarse, el fotón oscuro vendría a mostrar que hay una quinta fuerza y con eso daría para pensar en lo mucho que desconocemos el Universo.
RP