Ciencia Kanija

Gráfico de la fuerza relativa de la nueva fuerza (A) contra su rango (L) mostrando las regiones que han sido excluidas por los experimentos realizados en distintos laboratorios de la Universidad de Washington y la Universidad de Stanford. La región verde muestra los valores de A y L excluidos por el último experimento de Stanford con una confianza del 95%.

Físicos de los Estados Unidos han usado un experimento corriente para descartar la existencia de potentes fuerzas gravitatorias en longitudes de escala corta. Tales fuerzas, que podrían dar pistas de dimensiones adicionales del espacio-tiempo o de extrañas partículas nuevas, causarían que la ley del cuadrado inverso de Newton colapsara. Midiendo directamente la fuerza gravitatoria en una ménsula micromecánica, no obstante, Andrew Geraci y sus colaboradores de la Universidad de Stanford no han encontrado evidencias de tales efectos hasta una distancia de aproximadamente 10 ?m.

El resultado representa una pequeña reducción en la cantidad de “holgura” disponible en las teorías que intentan incorporar la gravedad al resto de fuerzas de la naturaleza, en particular la Teoría de Cuerdas. “Estas son las restricciones más fuertes sobre fuerzas no Newtonianas hasta la fecha en esta escala de longitud”, dice Geraci, que actualmente está trabajando en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Boulder.

Fuerza misteriosa

La gravedad es la más misteriosa de las cuatro fuerzas conocidas de la naturaleza. Debido a que es tan débil, los investigadores sólo han sido capaces de comprobar la ley del cuadrado inverso de Newton — que afirma que las fuerzas gravitatorias entre dos masas es inversamente proporcional al cuadrado de su separación — en distancias por debajo de 0,1 mm en los últimos años. Compara esto con el electromagnetismo, que es 40 órdenes de magnitud más potente que la gravedad y ha sido comprobado a escalas subatómicas.

En la parte teórica, la gravedad propone un reto incluso mayor. Al contrario que el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil, que se describen en las Teorías de Campo Cuántico, la gravedad se describe en la Relatividad General de Einstein — una teoría geométrica que se reduce a la gravedad Newtoniana en situaciones cotidianas pero que colapsa a escala cuántica. La carencia de restricciones experimentales en las distancias gravitatorias de menos de un milímetro ha dado a los teóricos un amplio abanico para lanzar hipótesis sobre cómo la gravedad se relaciona con las otras tres fuerzas. Comprobar la gravedad a escalas de longitud pequeñas, por tanto, ayuda a poner estas ideas sobre un terreno más firme.

Medidas de attonewton

Geraci y sus colaboradores han usado un interferómetro para medir cuánto era desplazada una ménsula de 0,25 mm de largo cargada con una masa de prueba de 1,5 ?g por una masa fuente situada a 25 ?m por debajo (arXiv:0802.2350; enviado a Phys Rev D). Mantener el aparato a temperaturas criogénicas para reducir el ruido térmico, permitió al equipo medir las fuerzas de attonewton (10^–18 N) entre las dos masas de forma directa. Esto contrasta con la precisión de los experimentos de balanza de torsión que han comprobado la gravedad Newtoniana a escalas submilimétricas midiendo el par de torsión, como los realizados por el grupo de Eric Adelberger de la Universidad de Washington.

Como es normal cuando se prueba desde cero la ley del cuadrado inverso, el equipo buscó evidencias de un potencial corregido de “tipo Yukawa”: V_N (1+A e^–r/L), donde V_N es el potencial gravitatorio Newtoniano, A describe la fuerza relativa a la nueva fuerza y L es su rango. Aqune el aparato de Stanford no permite medir la interacción gravitatoria Newtoniana entre las masas de prueba (es decir correspondiente a A ~1), el experimento estudia fuerzas mayores en el régimen donde A = 10⁴ – 10⁸ a longitudes de escala de aproximadamente 10 ?m. Es aquí donde algunas extravagantes teorías sugieren que se mostrarán potentes nuevas fuerzas.

Dimensiones extra

Hace una década, los teóricos sugirieron que toda la materia y los campos cuánticos de las interacciones electromagnética, fuerte y débil (es decir, todo nuestro universo material) están confinadas en una “brana” 3D que fluye en un espacio supradimensional donde los gravitones (los supuestos mediadores de la gravedad) vagan con libertad. La aparente debilidad de la gravedad sería por tanto una ilusión para los habitantes de la brana: la gravedad simplemente se diluiría conforme se dispersa por las dimensiones adicionales que no podemos percibir.

De acuerdo con la Ley de Gauss, cada dimensión extra incrementaría el exponente de la Ley de Newton: si resultara haber una dimensión extra a cierta escala de longitud, entonces la ley del cuadrado inverso se convertiría en la ley del cubo inverso a esa escala, por ejemplo. Siempre que las dimensiones extra sean lo bastante grandes, podrían también albergar nuevas partículas “gauge” que hacen de mediadoras para fuerzas de varios órdenes de magnitud mayor que la gravedad. Al contrario que la gravedad, el rango de tales fuerzas (que son del orden de una fracción de milímetro debido a la masa finita de las partículas) podría ser independiente del número y tamaño de las dimensiones extra, y las fuerzas pueden ser repulsivas en lugar de atractivas.

Fuerzas similares pueden surgir en la Teoría de Cuerdas, que es la inspiración que hay tras esos escenarios de “mundobrana” y el principal contendiente a una Teoría Cuántica de la Gravedad. La Teoría de Cuerdas necesita de seis dimensiones extra, y el intercambio de ciertas partículas de “módulo de luz” que determinan la forma en que estas dimensiones se compactan a escalas tan pequeñas podrían mediar entre fuerzas de al menos 10 000 veces más fuertes de la gravedad Newtoniana. Estas fuerzas pueden estar presentes incluso si las dimensiones no son grandes sino curvadas en la longitud de Planck (aproximadamente 10^–33 cm), como piensan la mayoría de teóricos de cuerdas que es el caso.

Restricciones de módulo

De acuerdo con Geraci, es este módulo de luz lo que es experimento de Stanford ha restringido más drásticamente. “Hemos eliminado un trozo considerable del parámetro espacio para el módulo”, dijo. “Por supuesto no podemos descartar la Teoría de Cuerdas, pero somos capaces de poner límites con sentido sobre la masa [la cual determina el rango, A] y la fuerza de acoplamiento del módulo [el cual determina L] que son bastante genéricos”. Esto se añade al conjunto de restricciones impuestas en 2003 por investigadores de la Universidad de Colorado usando un oscilador planar separado por un hueco de 108 ?m, el cual opera a escalas de longitud que son intermedias entre las configuraciones de Stanford y Washington.

El resultado representa una mejora cuádruple sobre experimentos anteriores realizados por el mismo equipo en 2003, pero los investigadores están trabajando en un nuevo experimento “rotatorio” que tiene un mayor área de interacción para las masas de prueba y fuente. Con esto, el equipo espera restringir el parámetro espacio en alfa en uno o dos órdenes de magnitud mayores en un año aproximadamente, lo cual permitiría que se estudiase casi por completo la “región de módulo extraño”.

“Este es un experimento pionero”, dice el teórico de Stanford Savas Dimopoulos, que fue uno de los primeros en proponer los escenarios de mundobrana en 1998.

Esta entrada fue escrita el Jueves, 6 de Marzo de 2008 a las 11:52 am y archivada en Fí­sica. Puedes seguir cualquier respuesta a esta entrada a través del feed RSS 2.0. Puedes dejar una respuesta, o trackback desde tu propio sitio web.