Los físicos teóricos del PRISMA + Cluster of Excellence en la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz están trabajando en una teoría que va más allá del Modelo Estándar de física de partículas y puede responder preguntas donde el Modelo Estándar tiene que pasar, por ejemplo, con respecto a las jerarquías de las masas de partículas elementales o la existencia de materia oscura. El elemento central de la teoría es una dimensión extra en el espacio-tiempo. Hasta ahora, Los científicos se han enfrentado al problema de que las predicciones de su teoría no podían probarse experimentalmente. Ahora han superado este problema en una publicación en el número actual de la Revista Física Europea C .

Ya en la década de 1920, en un intento por unificar las fuerzas de la gravedad y el electromagnetismo, Theodor Kaluza y Oskar Klein especularon sobre la existencia de una dimensión adicional más allá de las conocidas tres dimensiones espaciales y el tiempo, que en física se combinan en un espacio-tiempo de 4 dimensiones. Si existiera, una dimensión tan nueva tendría que ser increíblemente diminuta e imperceptible para el ojo humano. A finales de la década de 1990, esta idea experimentó un notable renacimiento, cuando se dio cuenta de que la existencia de una quinta dimensión podría resolver algunas de las profundas cuestiones abiertas de la física de partículas. En particular, Yuval Grossman de la Universidad de Stanford y Matthias Neubert, luego profesor en la Universidad de Cornell, demostró en una publicación muy citada que la incrustación del Modelo Estándar de la física de partículas en un espacio-tiempo de 5 dimensiones podría explicar los patrones misteriosos observados hasta ahora en las masas de partículas elementales.

Otros 20 años después, el grupo de Matthias Neubert, desde 2006 en la facultad de la Universidad Johannes Gutenberg en Mainz (Alemania) y portavoz del PRISMA + Cluster of Excellence, hizo otro descubrimiento inesperado:encontraron que las ecuaciones de campo de 5 dimensiones predijeron la existencia de un nuevo, partícula pesada con propiedades similares al famoso bosón de Higgs pero una masa mucho más pesada, tan pesada, De hecho, que no se puede producir ni siquiera en el colisionador de partículas de mayor energía del mundo:el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el Centro Europeo de Investigación Nuclear CERN cerca de Ginebra (Suiza). "Fue una pesadilla", recuerda Javier Castellano Ruiz, un doctorado estudiante involucrado en la investigación, "nos entusiasmó la idea de que nuestra teoría predice una nueva partícula, pero parecía imposible confirmar esta predicción en ningún experimento previsible ".

El desvío por la quinta dimensión

En un artículo reciente publicado en Revista Física Europea C , los investigadores encontraron una resolución espectacular a este dilema. Descubrieron que su partícula propuesta necesariamente mediaría una nueva fuerza entre las partículas elementales conocidas (nuestro universo visible) y la misteriosa materia oscura (el sector oscuro). Incluso la abundancia de materia oscura en el cosmos, como se observa en experimentos astrofísicos, puede explicarse por su teoría. Esto ofrece nuevas y emocionantes formas de buscar los componentes de la materia oscura, literalmente a través de un desvío a través de la dimensión extra, y obtener pistas sobre la física en una etapa muy temprana de la historia de nuestro universo. cuando se produjo la materia oscura. "Después de años de buscar posibles confirmaciones de nuestras predicciones teóricas, ahora estamos seguros de que el mecanismo que hemos descubierto haría que la materia oscura fuera 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 pueden calcular con precisión dentro de nuestra teoría ", dice Matthias Neubert, jefe del equipo de investigación. "Al final, eso es lo que esperamos, la nueva partícula puede ser descubierta primero a través de sus interacciones con el sector oscuro". Este ejemplo ilustra muy bien la fructífera interacción entre la ciencia básica experimental y la teórica, un sello distintivo del Grupo de Excelencia PRISMA +.