Física: Amb la teoria electromagnètica de James Clerk Maxwell (1873) tota un ventall de fenòmens físics eren explicats a través d’una mateixa interacció. La interacció electromagnètica i la interacció gravitatòria apareixen com les dues forces fonamentals de la natura. En el 1908, la descoberta del nucli atòmic feu necessària la incorporació d’una tercera interacció fonamental, la força nuclear. La comprensió de les partícules subatòmiques distingí la “força nuclear forta” d’una força nuclear feble que serviria per explicar la β-desintegració d’isòtops febles, tal com postulà Enrico Fermi el 1933. L’actual model estàndard considera, doncs, quatre interaccions fonamentals: gravitatòria, electromagnètica, forta (o nuclear forta) i feble (o nuclear feble). Des dels anys 1980, diversos grups d’investigadors, tant físics experimentals com físics teòrics, han postulat encara una cinquena força. Són més coneguts els esforços per reduir el nombre de quatre a tres (amb la interacció electrofeble postulada en el 1968), o de tres a dues (amb teories de gran unificació que abastin la interacció electrofeble i la nuclear forta). Però el cert és que hi ha aspectes fonamentals de la cosmologia, com són la matèria fosca (al capdavall, el 85% de la matèria gravitatòria de l’univers no interactua electromagnèticament) o l’energia fosca (que suposa més de dos terços de tota l’energia de l’univers observable, governant-hi l’acceleració de l’expansió cosmològica), que podrien quedar fora de les quatre interaccions fonamentals conegudes. El maig del 2016 comentàvem un estudi de Krasznahorkay et al. sobre la desintegració del beril·li-8, en el que s’assenyalava la possible formació d’un bosó neutre i d’una massa de 17 MeV. La partícula que hipotetitzaven els investigadors de l’ATOMKI fou designada com a X17, i s’assenyalava que podia el bosó associat a una cinquena interacció fonamental, protofòbica, potencialment vinculada a la matèria fosca. Aquesta setmana, el grup de Krasznahorkay torna a omplir titulars, arran d’un treball sobre àtoms d’heli-4, que indicaria la possible presència d’aquesta partícula X17. Concretament, observaven parells d’electró-positró (e+e–) de la transició M0 de l’estat de 21,01 MeV 0– de 4He. Detectaren un pic a una correlació angular de 115°, amb una significància de 7,2σ, atribuïble a la creació i desintegració d’una partícula de 16,84±0,16 MeV.
La seu central d’ATOMKI, a Debrecen. L’ATOMKI fou fundat per Sándor Szalay (1909-87) el 1954 com a institut de física nuclear. En l’actualitat té també grups de recerca en física atòmica, física de partícules, radioquímica, física d’estat sòlid, etc.
La partícula hipotètica X17
Attila J. Krasznahorkay és cap de la Secció de Física Nuclear Experimental de l’Atomki de Debrecen. En aquesta recerca han participat altres investigadors d’aquest Institut de Recerca Nuclear (Margit Csatlós, Lóránt Csige, J. Gulyás, M. Koszta, B. Szihalmi i János Timár), de la Universitat de Debrecen (D. S. Firak, Á. Nagy i N. J. Sas) i del CERN (Attila Krasnahorkay).
Els estudis d’aquest grup sobre les transicions M1 del beril·li-8 els havien dut a postular l’existència d’una partícula d’una massa de 16,70±0,35 MeV. Aquesta partícula X17 podria ésser un bosó prèviament desconegut, associat a una cinquena interacció fonamental, i a alguns aspectes de la matèria fosca.
En aquest estudi, Krasznahorkay et al. volien confirmar l’existència de la partícula X17 en un altre procés. Triaren la transició 0– → 0+ de 21,01 MeV de l’heli-4. La partícula X17 apareixeria com un subproducte transitori, que ràpidament decauria a un parell electró-positró.
Per aconseguir aquest estadi d’heli-4 bombardaren a 900 keV una diana de triti (3H) amb un corrent de protons de 1,0 microamperis. L’experiment es realitzà en l’accelerador de Van de Graaff de 5 megavolts de Debrecen. Els parells d’electrons-positrons eren detectats amb sis escintil·ladors plàstics, orientats a angles de 0, 60, 120, 180, 240 i 300 graus respecte del corrent de protons. L’experiment també comptà amb un detector de raigs gamma.
Durant dues setmanes abans de l’experiment i en les dues setmanes posteriors, es mesurà el soroll de fons atribuïble a la radiació còsmica. De fet, gràcies a una coberta plàstica, ja s’havia aconseguit blocar l’arribada al dispositiu de la meitat de la radiació còsmica.
En analitzar les dades dels sis detectors, troben un pic a una orientació de 115 graus respecte del corrent protònic. El pic té un nivell de significància de 7,2 sigmes. La massa de la partícula responsable d’aquest pic seria de 16,84±0,16 MeV.
Un nou bosó i una nova força fonamental
En l’actualitat es troba en curs l’experiment NA64 del CERN adreçat a la detecció de bosons. De moment no s’hi ha detectat la partícula X17.
Un altre experiment del CERN rellevant per a la partícula X17 és el FASER-LHC, que començarà en el 2023. Aquest experiment s’adreça a la detecció de partícules lleugeres d’interacció feble.
Pel que fa a l’experiment BESIII, ofereix l’oportunitat de cercar directament la partícula X17 en col·lisions entre electrons i positrons.
Encara d’una manera més directa, l’experiment PADME cerca un possible bosó que interactuï amb la matèria fosca.
Lligams:
– New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle. A.J. Krasznahorkay, M. Csatlos, L. Csige, J. Gulyas, M. Koszta, B. Szihalmi, J. Timar, D.S. Firak, A. Nagy, N.J. Sas, A. Krasznahorkay. arXiv:1910.10459 (2019).
– ATOMKI.
