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10 Partículas Subatómicas Teóricas Extrañas
La física de partículas es uno de los campos más interesantes de la física. Aunque ya hay muchas partículas diferentes, los investigadores continúan postulando partículas nuevas y emocionantes. La mayoría de estas nuevas partículas están relacionadas con la investigación de la materia oscura y la energía oscura, y los físicos actualmente están haciendo todo lo posible por descubrirlas.
10 agujeros de electrones negros
A principios del siglo XX, Albert Einstein introdujo la física de vanguardia sobre los agujeros negros, que apoyaba su teoría de la relatividad general. Entre sus trabajos más interesantes estaba la teoría de un agujero negro de electrones. Los agujeros negros pueden venir en varias formas y tamaños dependiendo de cómo se forman. El electrón del agujero negro de Einstein era un agujero negro propuesto que tenía el mismo tamaño y masa que un electrón.
En los papeles de Einstein, discutió cómo se vería este pequeño agujero negro. Por extraño que parezca, experimentaría las mismas propiedades magnéticas que un electrón normal. Si alguien observara un electrón de agujero negro, se vería como un electrón normal. Más allá de eso, el electrón del agujero negro sería relativamente estable y seguiría siendo del tamaño de un electrón durante toda su vida.
El trabajo de Einstein sobre el agujero negro de electrones no se convirtió en una parte principal de la física de partículas en su época, pero las innovaciones recientes en la teoría de cuerdas lo están volviendo a la vanguardia. Los modernos teóricos de cuerdas han construido modelos que consideran las partículas como agujeros negros en miniatura. Estos modelos ayudan a resolver los problemas computacionales que existen en la física normal, por lo que es posible que Einstein no esté demasiado lejos de la marca.
9 Dark Photon
La investigación de la materia oscura es uno de los campos más discutidos en la física de partículas moderna. Nadie sabe exactamente qué es la materia oscura, y los físicos constantemente proponen nuevos candidatos para esta sustancia difícil de alcanzar. En 2008, un equipo de investigadores propuso un nuevo tipo de partícula subatómica llamada fotón oscuro. Esta partícula parecería un fotón normal pero solo interactuaría con la materia oscura.
El fotón oscuro es el portador de fuerza propuesto para la fuerza electromagnética entre la materia oscura. En lugar de confiar en el fotón normal como portador de la fuerza, los investigadores propusieron que el fotón oscuro es el que lleva la interacción. Para explicar por qué la materia oscura es invisible para la observación, los físicos especularon que otra fuerza fundamental actúa sobre la materia oscura. Este "electromagnetismo oscuro" es una fuerza de calibre de largo alcance, pero solo está mediada por el fotón oscuro.
Por extraño que parezca, los investigadores de partículas tenían razones para creer que existían fotones oscuros. A principios de la década de 2000, los investigadores llevaron a cabo un experimento llamado g-2. Este experimento trató de medir el giro de las "muones" (otro tipo de partícula subatómica) mientras pasaban a través de un campo magnético.
Durante el experimento, las oscilaciones de muones no funcionaron según lo que predijo el modelo estándar. Se realizaron experimentos adicionales en aceleradores de partículas para ver si las lecturas anómalas podrían ser el signo de los fotones oscuros. Desafortunadamente, los resultados mostraron que los fotones oscuros no son los culpables. Algo más es.
La anomalía del g-2 aún no se ha resuelto, aunque los investigadores están seguros de que los fotones oscuros no son los culpables. Aún así, los fotones oscuros no son imposibles. Pueden existir en nuestro universo.
8 Partícula de camaleón
Aunque la materia oscura es un gran misterio en la física, la energía oscura es aún más grande. Todas las medidas y modelos muestran que el universo no solo se está expandiendo, sino que se está acelerando a un ritmo creciente. Los físicos no saben qué está causando la aceleración, e innumerables investigadores están proponiendo varias explicaciones para la "energía oscura" que está creando nuestro universo en expansión. Una de las ideas más interesantes es la partícula camaleónica.
En teoría, la partícula camaleónica mediaría en un quinto campo en nuestro universo llamado campo camaleón. La partícula para este campo tiene una variedad de propiedades impares. Los investigadores proponen que tiene una masa efectiva variable que cambia con la densidad de la región del espacio que habita.
Cuanto más grande es la masa efectiva, más fuerza ejerce. Por ejemplo, en nuestro sistema solar, la partícula camaleónica sería indetectable porque la alta densidad relativa de nuestro sistema solar haría que la partícula ejerza una fuerza extremadamente débil. Pero en el espacio intergaláctico, que está casi vacío, la partícula camaleónica sería extremadamente fuerte porque la densidad es muy baja.
Esta propuesta explica por qué los científicos ven la expansión universal. Sin embargo, los científicos quieren detectar la partícula. Pero es difícil porque los científicos están en la Tierra en una parte densa del universo donde la fuerza camaleónica sería extremadamente débil.
Un equipo en Berkeley construyó un aparato experimental para detectar partículas de camaleón. Aunque la prueba no fue concluyente, no descartó la existencia de partículas de camaleón. Así que los científicos están trabajando en más experimentos e instrumentos para detectar estas evasivas partículas y descubrir la naturaleza de la energía oscura.
7 neutrinos estériles
Otro candidato para la materia oscura es el neutrino estéril. Los neutrinos normales son partículas de interacción extremadamente débil formadas en diversas reacciones nucleares. Los tres tipos de neutrinos en el modelo estándar son bien conocidos. Están interactuando tan débilmente que los científicos se refieren a ellos como partículas fantasma.
Los neutrinos estériles son diferentes porque solo interactúan a través de la fuerza gravitacional. Los neutrinos normales (también conocidos como neutrinos activos) reciben carga de la fuerza débil, pero los neutrinos estériles no están influenciados por ninguna de las fuerzas subatómicas en el modelo estándar. Son fantasmas de la partícula fantasma.
Los neutrinos estériles son un posible candidato para la materia oscura. Son interesantes porque existen fuera del modelo estándar de la física de partículas al agregar más neutrinos a los tres que los científicos ya conocen.Si se descubren, los neutrinos estériles obligarían a los científicos a reorganizar partes del modelo estándar. En cuanto a la materia oscura, los físicos todavía están en la cerca de si estas partículas fantasmales son un buen candidato para ello.
Pero los descubrimientos recientes han proporcionado evidencia de que podrían existir neutrinos estériles. El problema es que los neutrinos estériles son extremadamente difíciles de detectar porque apenas interactúan con otras formas de materia. Los científicos tienen dificultades para detectar a sus primos activos, y mucho menos las versiones estériles.
En 2014, los astrónomos detectaron líneas de emisión de rayos X impares de una galaxia cercana que encajan dentro de la teoría del neutrino estéril. Utilizando estos datos, el astrofísico Kevork Abazajian demostró que el modelo de neutrino estéril podría explicar la estructura de otras galaxias cercanas. Este descubrimiento es la mejor evidencia actual de neutrinos estériles porque los detectores subterráneos para neutrinos activos no han tenido ninguna suerte al recoger firmas de esta partícula fantasmal.
6 axion
De todos los candidatos que los científicos han propuesto para la materia oscura y fría, el axión está recibiendo la mayor publicidad e interés. El axion se propuso por primera vez para resolver un problema complicado relacionado con la fuerza nuclear fuerte.
En el modelo estándar de matemáticas, los físicos de partículas incluyen ciertas variables de entrada para hacer que las matemáticas funcionen. Sin embargo, una variable tiene un valor de casi cero, lo que la hace inobservable. Cuando los físicos conectaron ese valor en sus ecuaciones, mostraron que uno de los quarks fundamentales no tendría masa.
La observación de los quarks contradecía este modelo, por lo que los científicos idearon un nuevo campo y una nueva partícula para arreglar la situación. Esta partícula es el axión. Tiene una masa extremadamente baja, cercana a un trillón de la masa de un electrón.
Además, los axiones solo interactúan débilmente con otra materia, pero tienen interacciones extrañas y especiales con la fuerza nuclear fuerte. En teoría, estas partículas son completamente transparentes a la luz y no interactúan con la materia de acuerdo con el modelo estándar.
Todo esto hace del axion un candidato clave para la materia oscura. La otra teoría principal es el modelo WIMP (partícula masiva de interacción débil), que propone nuevas partículas que son mucho más pesadas que el protón y el neutrón. Los modelos Axion tienen una ventaja sobre los WIMP en que ya son parte de la teoría cuántica.
Las teorías cosmológicas afirman que los axiones podrían representar el 85 por ciento de la materia oscura en nuestro universo. El resto serían otras partículas. Los científicos están realizando experimentos para encontrar estas partículas invisibles, pero la búsqueda no es fácil.
5 Dilaton
El dilaton es una partícula rara propuesta por la teoría de cuerdas. Cuando los teóricos de cuerdas trabajan con las teorías de compactación de Kaluza-Klein, el dilaton es una partícula que debe existir. Pero hace que las constantes fundamentales en la naturaleza fluctúen.
En lugar de que nuestro universo tenga constantes como la constante de Newton o la constante de Planck, el dilaton habría permitido que estos números fluctuaran durante el universo temprano. Después de eso, el valor de Dilaton se habría congelado, lo que también provocó que los valores de las constantes fundamentales se congelaran.
Los dilatons pueden parecer extraños, pero son críticos para entender la cosmología de la teoría de cuerdas. La teoría de cuerdas se basa en las teorías de Kaluza-Klein, y no hay forma de ignorar el dilaton en esas teorías. De hecho, los físicos creen que el dilaton es un escalar fundamental en nuestro universo, lo que significa que es imposible ignorarlo si existe.
Sin embargo, los experimentos para detectar el dilaton serían extremadamente difíciles de realizar. Pero sus propiedades coinciden perfectamente con las propiedades de la energía oscura. Entonces, si la teoría de cuerdas es correcta, el dilaton podría resolver el misterio persistente de la energía oscura.
4 Inflaton
Uno de los mayores misterios de la cosmología del Big Bang es el período inflacionario del universo. En la fracción de segundo después de que comenzara el Big Bang, el universo experimentó un crecimiento exponencial. Eventualmente, ese rápido crecimiento disminuyó en la tasa de expansión observada hoy.
Este período inflacionario ha permitido a los científicos observar la radiación de microondas de fondo cósmico y otras características interesantes del universo. Sin embargo, nadie sabe por qué el universo experimentó una expansión inflacionaria o por qué se detuvo.
La inflación es un campo propuesto que explicaría por qué el universo se expandió como lo hizo. Como todos los campos, el inflaton tiene una partícula asociada con él (también llamada inflaton).
La inflación funcionó en unos pocos pasos básicos. Al comienzo del universo, estaba en un estado de alta energía y experimentó fluctuaciones cuánticas aleatorias como se esperaba del universo infantil superdense. Eventualmente, el inflativo se estableció en un estado de baja energía, lo que desencadenó una fuerza repulsiva masiva que permitió que el inflado regresara a su estado de alta energía. Extrañamente, el inflatón no ejerce esta fuerza repulsiva cuando tiene alta energía.
Las teorías de Inflaton pueden parecer elegantes, pero aún son muy debatidas entre los físicos porque el modelo inflacionario no ha sido aceptado por todos los científicos. Sin embargo, las nuevas teorías que rodean el universo temprano muestran que el campo de inflaton es un buen candidato para describir cómo se vio nuestro universo como lo hace. Algunos investigadores creen que el bosón de Higgs, recientemente descubierto, es la partícula inflable que han estado buscando. Posiblemente, estas dos partículas son la misma cosa.
Partícula de Bateman 3
Propuesto por un equipo liderado por James Bateman, esta partícula sin nombre es otro candidato para una partícula de materia oscura superligera. La partícula de Bateman es mucho más pesada que el axión pero aún así es solo una fracción de la masa de un electrón. Al igual que otros candidatos de materia oscura, la nueva partícula sería completamente invisible porque no interactuaría con la luz.Sin embargo, interactuaría con la materia normal, explicando algunas de las anomalías en torno a la materia oscura.
Una característica interesante de esta nueva partícula es que su interacción con la materia normal solo es efectiva en distancias largas o en campos gravitacionales fuertes. Por lo tanto, la nueva partícula no sería afectada por la Tierra.
Bateman cree que su partícula sería capaz de viajar a través de la Tierra y su atmósfera sin chocar con otras partículas o ser detectable porque tiene una masa tan pequeña. Millones de partículas de Bateman podrían estar fluyendo a través de ti ahora mismo. Si la partícula es real, mostraría que la materia oscura impregna el espacio mucho más de lo que se creía anteriormente.
Sin embargo, esta partícula sin nombre interactúa tan débilmente que es extremadamente difícil diseñar un experimento que lo detecte. En este momento, el veredicto aún está fuera de la existencia de la partícula de Bateman. Hasta que haya mejores experimentos, la partícula de Bateman simplemente seguirá siendo una posibilidad interesante.
2 partículas de Planck
Un valor clave en la mecánica cuántica, la longitud de onda de Compton es una característica de una partícula que depende de su masa y muestra su relación para energizar fotones. Si la longitud de onda de Compton de una partícula es igual a su radio de Schwarzschild, es una partícula de Planck.
El radio de Schwarzschild muestra hasta qué punto puedes comprimir un objeto antes de que la gravedad abrume las demás fuerzas físicas del universo y cree un agujero negro. En ese tamaño, la velocidad de escape de la superficie del objeto sería mayor que la velocidad de la luz, que es la característica definitoria de un agujero negro. Por lo tanto, las partículas de Planck son tan compactas que se han convertido en agujeros negros.
Las partículas de Planck tienen características iguales a las constantes de Planck para masa y tamaño. Una partícula de esta naturaleza pesaría tanto como la masa de Planck (10 veces la masa del protón) y sería extremadamente pequeña (10 veces el diámetro del protón). Esto hace que la partícula de Planck sea extremadamente densa.
Estas extrañas partículas son interesantes para los físicos. Al principio, solo se introdujeron en ecuaciones como una forma de calcular las dimensiones del resultado. Ahora son interesantes porque pueden tener la clave para hacer que la mecánica cuántica y la relatividad general funcionen juntas.
Los cosmólogos también están interesados en las partículas de Planck porque pueden haber existido en gran abundancia en el universo temprano. Al incluir la partícula de Planck en modelos cosmológicos, los investigadores han podido determinar que la descomposición temprana de las partículas de Planck puede haber resultado en las propiedades observadas de las partículas en nuestra era del universo.
1 masa negativa
La mayoría de las personas están familiarizadas con la idea de un antipartícula, que tiene la carga opuesta a su compañero normal. Por ejemplo, un electrón tiene una carga -1 y su antipartícula, el positrón, tiene una carga +1. Los físicos teóricos han expandido esta idea a la masa y han postulado un nuevo conjunto de partículas que tienen la masa opuesta a nuestras partículas normales.
Este es un concepto bastante extraño. Si tuviera una masa de 1 kilogramo, la misma cantidad de materia negativa sería -1 kilogramo. Las antipartículas tienen masas positivas pero cargas opuestas. La materia negativa está en una liga propia. Si la materia negativa existe, ayudaría a resolver algunos de los problemas más interesantes de la física. Por ejemplo, llevaría a unir la relatividad general y la mecánica cuántica.
Los físicos investigan la materia negativa porque permitiría a los humanos descubrir formas de viajar por el universo. La relatividad general establece que la materia negativa repelería toda otra materia, tanto negativa como positiva. Por lo tanto, si se pudiera aprovechar la materia negativa, permitiría a los humanos estirar el espacio-tiempo y posiblemente abrir agujeros de gusano a través de los cuales podrían viajar los barcos.
Los investigadores también realizan investigaciones en masa negativas porque pueden ayudarnos a comprender la flecha del tiempo y algunos de los conceptos más confusos sobre los agujeros negros. La materia negativa también podría usarse para crear un plasma que absorba las ondas de gravedad. Desafortunadamente, la creación de materia negativa está muy lejos, pero está claro que estas nuevas partículas subatómicas podrían revolucionar la ciencia y los viajes espaciales.