El más allá del modelo estándar de las partículas elementales sin la supersimetría

Mucha gente opina que si la supersimetría no se observa en el LHC del CERN, el modelo estándar se convertirá en una teoría aburrida y con pocas sorpresas. Todo lo contrario, hay muchos problemas en el modelo estándar para los que la supersimetría no aporta ninguna solución. La física de precisión de baja energía, que ya dio la sorpresa al descubrir que los neutrinos tienen masa en reposo, es un portal que permitirá acceder a física más allá del modelo estándar fuera del alcance de los grandes aceleradores de partículas. Parafraseando a Feynman “There’s Plenty of Room at the Bottom.”

La física de precisión de baja energía promete muchas sorpresas en los próximos años. El problema del “sabor,” por qué hay tres generaciones de partículas elementales y por qué son tan diferentes las masas del quark top y del quark arriba, no tiene solución en el contexto de la supersimetría. Tampoco lo tienen las violaciones de la simetría CP y la explicación de por qué se aniquilaron la materia y la antimateria con un ligero exceso de materia. Los grandes experimentos del LHC, tanto ATLAS como CMS, así como LHCb y los más pequeños, prometen noticias jugosas incluso si las partículas supersimetrías o las dimensiones extra del espaciotiempo están fuera de nuestro alcance en las próximas décadas. Nos lo ha recordado de forma estupenda Matthias Neubert (Johannes Gutenberg University Mainz), “Flavor Theory: Flavor as a portal beyond the Standard Model,” International Europhysics Conference on High-Energy Physics, EPS HEP 11, Grenoble, France, 21-27 July 2011.

Matthias empieza recordando que durante dos décadas las supersimetría ha sido la estrella de la física más allá del modelo estándar. La física del “sabor” ha sido ignorada y se ha llegado a decir que era irrelevante para el descubrimiento de nueva física a alta energía. Quizás, porque la supersimetría tiene poco que decir respecto a la física del “sabor.” La situación ha cambiado en los últimos años.

La vía fácil para encontrar nueva física más allá del modelo estándar es encontrar nuevas partículas elementales (fermiones) o nuevas interacciones fundamentales (bosones vectoriales). Sin embargo, no podemos olvidar que esta nueva física también afecta a los parámetros de precisión del modelo estándar. Pequeñas desviaciones debido a las correcciones cuánticas introducidas por nuevas partículas virtuales que son señales indirectas de la existencia de estas nuevas partículas. Estas pequeñas desviaciones se pueden estudiar incluso si la masa en reposo de las nuevas partículas las coloca fuera del alcance de las colisiones en el LHC del CERN.

El gran problema de los estudios de alta precisión de los parámetros del modelo estándar es que se requiren, en pie de igualdad, avances en el frente teórico y en el experimental. Se han de desarrollar (y se están desarrollando) nuevas técnicas para calcular con precisión las predicciones del modelo estándar. Ya que en muchos casos las medidas experimentales son más precisas que las estimaciones teóricas, ocultando cualquier posible pequeña desviación. Por ejemplo, la desviación a casi 4 sigma observada por DZero (Tevatrón) con 8 /fb de colisiones respecto a una posible violación CP en la mezcla de los bosones-B (que muestra la figura de arriba, derecha), se considera una señal de nueva física, pero podría ser debida al efecto de las correcciones de alto orden no tenidas en cuenta en las predicciones teóricas actuales. Muchos parámetros del modelo estándar tienen intervalos de incertidumbre y los análisis de sensibilidad sobre su efecto en los cálculos son de gran dificultad porque afectan vía correcciones cuánticas aún no determinadas. Otro ejemplo es la desintegración anómala de mesones-B en pares de muones, observada por CDF (Tevatrón). Por ahora, ni LHCb, ni CMS, ni ATLAS han observado estos efectos, pero aún han acumulado pocas colisiones como para que se pueda afirmar que refutan las observaciones del Tevatrón. Más información en la charla de Guy Wilkinson (University of Oxford), “News from the flavour frontier -heavy quark physics at the LHC,” EPS HEP 2011, Grenoble, 27/7/11.

Por ahora el LHC del CERN está ratificando el modelo estándar sin observar ninguna desviación apreciable (con su sensibilidad actual). Sin embargo, si el Tevatrón necesitó 25 años para observar algunas pequeñas desviaciones, es muy posible que, si existen, el LHC pueda observarlas en mucho menos tiempo. Según Matthias es muy posible que muchos pequeños efectos nos aguarden escondidos entre las futuras colisiones del LHC. En la física de partículas elementales, y sobre todo en la física de precisión de baja energía, el tiempo y la paciencia son los mejores aliados.

PS: En relación a las anomalías observadas en el Tevatrón, merece la pena la emotiva charla de Diego Tonelli (Fermilab), “Heavy flavor at the Tevatron,” EPS HEP 2011, Grenoble, July 27, 2011.

PS: Por cierto, ya que estamos, también recomiendo la lectura de Flip Tanedo, “The Birds and the Bs,” Quantum Diaries, July 22nd, 2011. Flip describe muy bien lo que se sabe sobre la desintegración de los mesones-B en pares de muones.

12 pensamientos en “El más allá del modelo estándar de las partículas elementales sin la supersimetría

  1. Flip es muy bueno escribiendo; creo que me lo encontré una vez en persona en el comedor – pabellon central de la facultad de matematicas de Cambridge, y tambien era muy bueno poniendo atencion y haciendo preguntas, eso sin duda se nota en sus articulos.

  2. Es una pena esa vision de que “SUSY has little to say about the origin of flavor”, que saca ya en la segunda o tercera transparencia. Si no fuera porque he decidido que me voy a dedicar a la investigacion por la que me pagan (que tambien es interesante, no se si habeis visto 15m.bifi.es), y porque el esfuezo de hacer un paper publicable son demasiadas horas y al final no le vale a nadie para nada ni va a borrar ninguno de estos prejuicios, me pondria a escribir en plan bien lo de la simetria de sabor que encontré los escalares del modelo estandar supersimetrico y a buscarle implicaciones.

    • Alejandro, no conocía el proyecto [del instituto] BIFI [de la Universidad de Zaragoza], muy interesante, ni tampoco sabía que trabajaras en sistemas complejos y biocomputación. Un tema muy interesante.

      Intentaré escribir una entrada sobre vuestro artículo Javier Borge-Holthoefer et al. “Structural and Dynamical Patterns on Online Social Networks: the Spanish May 15th Movement as a case study,” ArXiv, 8 Jul 2011. Pero tendrá que esperar a la semana que viene.

  3. ¡Qué ilusión, un artículo en Francis sobre el problema del sabor! Ahora mismo estoy en una Beca de Colaboración trabajando en ello (aunque el año que viene empiezo 4º y he tenido que aprender por mi cuenta muuuuchas cosas de QFT…xD), así que casi me da un vuelco al corazón al ver a la Cabbibo-Kowayashi-Maskawa por aquí =) como ya escribí en un artículo acerca de mesones B, muchos modelos dentro de la llamada “Física del Sabor” predicen variaciones dentro del Modelo Estándar, incluso sin necesidad de Supersimetría. Es un tema muy interesante, y del que se pueden explicar y entender cositas sin tener que saber demasiado (como yo mismo puedo afirmar XD).

    Y en fin, aunque sea tópico: enhorabuena por el blog, sin duda el referente en Física en español, ¡sigue así, mula! =)

    K.

  4. Me preocupa lo que dice Francis cuando dice “incluso si las partículas supersimetrías o las dimensiones extra del espaciotiempo están fuera de nuestro alcance en las próximas décadas.” Y digo yo, si no las encontramos es que probablemente no existen.
    Así no se hace la ciencia, si el experimento dice que no, entonces hay que abandonar la teoría. Es increíble que se haya dado la vuelta a la tortilla y al final se tenga tanto cariño a ciertas ideas teóricas, ya son como religiones. Antes era al revés, se observaban cosas y se trataban de explicar, ahora se culpa al experimento de no mostrar lo que queremos o simplemente decimos que se necesita más energía. ¿Hasta donde? ¿Cuándo se pueden dar por vencidos? ¿Nunca?

    • “Si el experimento dice que no, entonces hay que abandonar la teoría.”

      No es tan sencillo, físico. Tanto la SUSY como las dimensiones extra son ideas de muy alta energía más allá de lo que pueden alcanzar los grandes aceleradores, pero muchos físicos han trabajado en estas buscando encajarlas en energías bajas que sí puedan acceder. Les han dado “retrueques” técnicos y han descubierto que en ciertos casos la teoría podría ser observable.

      Por ejemplo, la supersimetría conduce a superpartículas con una masa menor de 1 TeV, la escala de la física electrodébil, sólo si la supersimetría es relevante para los fenómenos electrodébiles, y no tiene por qué serlo. Quizás sea relevante para la unificación entre cromodinámica y teoría electrodébil, y en dicho caso estamos hablando de muchos órdenes de magnitud más allá de lo alcanzable en el LHC del CERN. O quizás sea relevante para la teoría de la gravedad cuántica, como predice la teoría de cuerdas, en cuyo caso nos alejamos aún más.

      Mi opinión en la entrada es que si no se encuentran a baja energía, el experimento no contradice que dichas ideas sean correctas, solo contradice los retrueques técnicos que han llevado a que fueran aplicadas a baja energía.

      A muy alta energía la única opción es utilizar la cosmología y/o medidas de precisión a baja energía que den una prueba indirecta de estas ideas exóticas. Pero estas pruebas indirectas siempre serán puestas en dudas por quienes desarrollen un modelo expreso para ellas. No quedará otro remedio que acudir a la navaja de Occam y la belleza intrínseca de estas teorías.

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