El "Higgs" encontrado en el LHC y su relación con la supersimetría

Los modelos supersimétricos

Las simetrías forman entonces la base para la construcción de las teorías físicas modernas. La máxima simetría que puede existir en un sistema cuántico es conocida con el nombre de supersimetría, relacionada con la operación que corresponde básicamente a la transformación de un bosón en un fermión, y viceversa. La gran mayoría de las teorías desarrolladas durante las últimas décadas tienen a la supersimetría como una parte importante de su fundación. Si la naturaleza respetase de manera exacta esta simetría, por cada partícula elemental de spin ½ debería existir un compañero supersimétrico de spin 0 (por ejemplo el electrón y el “selectrón”) con la misma masa, así como para cada bosón de gauge de spin 1 debería existir un fermión (gaugino) de spin ½. Como ciertamente no se observa la duplicación del espectro es posible que esta simetría sólo sea respetada de manera aproximada, de tal forma que las partículas supersimétricas tengan masas mayores que las de sus compañeras del Modelo Estándar y por lo tanto aún no hayan podido ser observadas en los aceleradores. La más liviana (y neutra) de las partículas supersimétricas, en caso de existir, es una de las más serias candidatas para explicar la existencia de la materia oscura.
Partículas supersimétricas

ICHEP 2012, 6th July.

 

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Las ventajas teóricas de la supersimetría son muy importantes. En particular resuelven problemas de estabilidad de muchas teorías ante correcciones cuánticas, además de mejorar considerablemente el acuerdo entre las predicciones de los modelos de unificación y los resultados experimentales. En el caso de ciertas teorías, permiten la incorporación de fermiones en formulaciones que de otra manera no lo aceptarían.

Tantas son sus ventajas que aun cuando cerca de 30 años después de su postulación no se ha encontrado prueba de la existencia de estas nuevas partículas, es todavía considerada por una gran parte de la comunidad científica como uno de los más firmes candidatos, sola o como parte de otras teorías, a explicar fenómenos físicos que puedan aparecer más allá de la descripción del Modelo Estándar. La búsqueda de partículas supersimétricas es otra de las prioridades en el colisionador LHC.

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En la física de partículas, la supersimetría es una simetría hipotética propuesta que relacionaría las propiedades de los bosones y los fermiones. Aunque todavía no se ha verificado experimentalmente que la supersimetría sea una simetría de la naturaleza, es parte fundamental de muchos modelos teóricos, incluyendo la teoría de supercuerdas. La supersimetría también es conocida por el acrónimo inglés SUSY.

Según el modelo estándar (SM, de sus siglas en inglés) de la física de partículas, la materia está formada por fermiones (a su vez divididos en quarks y leptones), mientras que las partículas que transmiten las dos interacciones fundamentales de la naturaleza (interacción fuerte e interacción nuclear electrodébil) son bosones. La supersimetría extiende el número de partículas del SM de forma que a cada partícula le corresponde una compañera supersimétrica denominada super compañera. Así, cada bosón tiene una super compañera fermión y viceversa. Las super compañeras de los fermiones son bosones y reciben nombres que comienzan con la letra s; así, el electrón tiene como super compañera el selectrón, y los quarks, los squarks. Las super compañeras de los bosones son fermiones con nombres que terminan en -ino, así la del fotón es el fotino y la del gravitón (si se incluye la gravedad en el modelo), el gravitino. La extensión mínima del modelo estándar que incluye supersimetría se conoce como MSSM (del inglés: Minimal Supersymmetric Standard Model).

Sin embargo, debido a que dichas compañeras supersimétricas aún no han podido ser creadas en el laboratorio, sus masas deben ser mucho mayores que las de las partículas originales. Esto implica que la supersimetría, de ser cierta, está rota por algún mecanismo. La especificación de dicho mecanismo da lugar a diversas simplificaciones del MSSM.

Algunas partículas supersimétricas, como el neutralino, podrían explicar el problema de la materia oscura del universo.

Gracias al gran potencial de poder explicar muchas preguntas de la Física de Partículas y de la Astrofísica, la teoría de la supersimetría posee una gran popularidad, principalmente en la Física Teórica. La mayoría de las teorías científicas populares, la Teoría de la gran unificación y de la Teoría de supercuerdas, son supersimetricas. Sin embargo, a pesar de los argumentos teóricos alentadores, hasta ahora no se ha podido demostrar experimentalmente que la supersimetría existe realmente en la naturaleza.

 

Historia: Modelo de Wess-Zumino y MSSM

El primer modelo en la física de partículas fue presentado en el año 1973 por Julius Wess y Bruno Zumino.1 Este modelo, conocido con el nombre de Modelo de Wess-Zumino, no es un modelo real de la naturaleza, sino más bien, un modelo mínimo supersimétrico con solo un Fermion y su super compañero Boson. A pesar de que el modelo de Wess-Zumino no representa un modelo físico real, sirve por su sencillez de modelo ejemplo para mostrar ciertos aspectos de los modelos físicos supersimétricos. El primer modelo supersimétrico compatible con el modelo estándar de la física de partículas llamado Modelo Mínimo Estándar Supersimétrico (MSSM), fue enunciado en el año 1981 por Howard Georgi y Savas Dimopoulos. Según el MSSM, las masas de los super compañeros se podrán observar en la región entre 100 GeV hasta 1 TeV mediante el acelerador de partículas conocido como "gran colisionador de hadrones" (en inglés, Large Hadron Collider, LHC), terminado de construir en el año 2008 en la frontera franco-suiza. Los científicos esperan poder demostrar mediante el LHC la existencia de los super compañeros de las partículas elementales ya conocidas.

Bibliografia wikipedia

Maravillosa, bella y única", así es cómo Gordon Kane describe la teoría súper simétrica. Kane, un físico teórico de la Universidad de Michigan, en Ann Arbor, ha pasado cerca de 30 años trabajando en súper simetría, una teoría que él y otros cuantos creen capaz de resolver un buen montón de problemas acerca de nuestra comprensión del mundo subatómico.

Pero ahora se contempla con ansiedad el hecho de que la teoría, por muy elegante que sea, es errónea. Los datos arrojados por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC en el acrónimo inglés y más conocido), el acelerador de partículas de 27 kilómetros que cruza la frontera Suizo-Francesa cerca de Ginebra, Suiza, no ha enseñado ningún signo de las "súper partículas" que la teoría predice. "Estamos al borde del precipicio de la súper simetría", afirma Chris Lester, un físico de partículas de la Universidad de Cambridge, UK, que trabaja con el detector ATLAS del LHC. Junto con el experimento Solenoide Compacto de Muones, el ATLAS ha pasado todo el año a la caza de súper partículas, y está ahora preparado para recabar más información nada más que el LHC comience a correr a mucha más energía en las próximas semanas. Si los detectores no encuentran ninguna súper partícula para el final del año, la teoría puede afrontar serios problemas.

El Bestiario. ¿Podrían sombrías súper partículas estar acechando tras las partículas y fuerzas fundamentales observables del modelo estándar? Cronología: Crisis de la edad madura de Susy. Créditos: FermiLab.

La súper simetría (conocida por los científicos como SUSY y pronunciada "Susie") nace en los años 70 como una vía para resolver un problema esencial del modelo estándar de partículas, que describe el conjunto de partículas fundamentales que constituyen la materia (ver el gráfico "El bestiario"). Los investigadores han encontrado hasta ahora todas las partículas predichas en el modelo, menos una: el bosón de Higgs, teorizada para dotar a las partículas de masa.

El Higgs es crucial para la teoría, pero su masa predicha está sujeta a fluctuaciones incontroladas causadas por efectos cuánticos provocados por otras partículas fundamentales. Estas fluctuaciones pueden incrementar la masa esperada del Higgs hasta un punto en el que otras partículas fundamentales deberían ser mucho más masivas de lo que son en realidad, rompiendo con ello el modelo estándar. Los teóricos pueden eliminar las fluctuaciones de las ecuaciones, pero solamente después de ajustar la masa del bosón de Higgs a un valor muy preciso; una fracción que sea más pesado o más ligero hace que todo el edificio teórico colapse. De hecho muchos físicos son críticos con cualquier teoría que necesita un ajuste tan fino para funcionar.

SUSY nos ofrece una alternativa para el problema del "ajuste fino". La teoría postula que cada partícula tiene una compañera súper simétrica y pesada. La mayoría de estas compañeras son inestables y raramente interactúan con la materia normal. Las fluctuaciones cuánticas de las partículas súper simétricas cancelan todas aquellas de las partículas regulares, haciendo que el bosón de Higgs vuelva a tener un aceptable rango de masa.

Los teóricos han descubierto también que SUSY, a su vez, puede ser útil para resolver otros problemas. Algunas de las más ligeras partículas súper simétricas pueden ser la elusiva materia oscura que los cosmólogos han estado buscando desde los años 30. Aunque jamás haya sido vista, la materia oscura compone sobre el 83% de la materia del universo, según las observaciones de cómo se mueven las galaxias. SUSY también puede usarse para juntar todas las fuerzas, excepto la gravedad, en una única fuerza a altas energías, un gran paso hacia la "teoría del todo" que unifica y explica todo lo conocido en física- uno de los objetivos más importantes de la ciencia. Pero quizás lo más importante para algunos teóricos, "SUSY es muy bella matemáticamente", dice Ben Allanach, un teórico de la Universidad de Cambridge.

La utilidad y la gracia matemática de SUSY ha creado una especie de "devoción religiosa" entre sus seguidores, dice Adam Falkowski, un teórico de la Universidad de París Sur, en Francia. Pero los colisionadores han fallado a la hora de encontrar evidencias directas de las súper partículas predichas por la teoría. El Tevatron del Acelerador Nacional Fermi de Batavia, Illinois, por ejemplo, tampoco ha encontrado ninguna pista de los quarks súper simétricos (squarcks) a masas por encima de los 379 gigaelectronvoltios (energía y masa se usan de manera intercambiable en el mundo de la física de partículas).

El LHC está acumulando rápidamente datos a más altas energías, descubriendo un territorio más pesado para las súper partículas. Esto crea un serio problema para SUSY. A medida que las súper partículas incrementan su masa,  no pueden cancelar a la perfección las problemáticas fluctuaciones cuánticas que deben ser capaces de corregir. Los teóricos pueden hacer que SUSY trabaje todavía, pero sólo asumiendo masas muy específicas para las súper partículas; precisamente el tipo de ajuste fino que había que sortear cuando la teoría fue inventada. Así como el LHC recaba más información, SUSY requerirá incrementar las masas de las partículas poco a poco.

El LHC ha doblado de lejos la masa límite alcanzada por el Tevatron, demostrando que no hay evidencia de squarks a energías por debajo de 700 gigaelectronvoltios. Hacia finales del año alcanzará 1.000 gigaelectronvoltio, que potencialmente arrojará luz sobre las más favorables variaciones de la teoría súper simétrica.

"Yo no diría que estoy preocupado", dice John Ellis, un teórico del CERN que ha trabajado en súper simetría por décadas. Él afirma que esperará hasta el final de 2012, cuando más aceleraciones a altas energías sean completados, antes de abandonar SUSY. Falkowski, que hace tiempo que es un crítico de la teoría, piensa que la falta de detecciones sugiere claramente que SUSY está muerta.

"En privado mucha gente piensa que la situación no es nada buena para SUSY", aseguró Alessandro Strumia, un teórico de la Universidad de Pisa, en Italia, que hace poco ha producido un artículo acerca del impacto de los últimos resultados del LHC en el problema del ajuste fino. "Este es un gran asunto político en nuestro campo", añadió, "para algunos grandes físicos, ésta es la diferencia entre recibir el Premio Nobel o admitir que han gastado sus vidas en el camino erróneo". Y Ellis añadió "he trabajado en esto al menos durante 30 años y me imagino que algunos estarán poniéndose nerviosos".

"Muchas cosas cambiarán si fallamos descubriendo SUSY", recordó Lester. Los físicos teóricos tendrán que volver al tablero de dibujo para tratar de encontrar una vía alternativa que resuelva los problemas del modelo estándar. Esto no es necesariamente algo malo, consideró: "para los físicos de partículas será algo muy excitante".

 

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Artículo original:

"Beautiful theory collides with smashing particle data" (Fuente: Nature).

 

 

 

 

 

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