Los leptoquarks y los teóricos que acabarán en el pozo del olvido

Los quarks y los leptones se agrupan en tres familias (o generaciones) cada una formada por un par de quarks y un par de leptones; cada generación es una réplica de la anterior. Los leptoquarks son partículas hipotéticas que permiten transformar, dentro de una misma familia, los quarks en leptones y los leptones en quarks; de existir, tendría que haber tres generaciones de leptoquarks. El gran problema de las teorías de (gran) unificación que introducen leptoquarks es que predicen la desintegración del protón. Los límites experimentales dependen del tipo de desintegración estudiado; la vida media es mayor de 13×10³³ años para la desintegración de un protón en un pión y un electrón, mayor de 11×10³³ años para la de un protón en un pión y un muón, y mayor de 4×10³³ años para la de un protón en un kaón y un neutrino. Estos límites indican que la masa de un leptoquark debe ser mayor de 10¹² GeV, un billón de GeV es una masa miles de millones de veces mayor que la que se puede estudiar en el LHC; los límites actuales indican que los leptoquarks tienen masa superior a 350 GeV según CMS y mayor de 422 GeV según ATLAS; en Moriond la próxima semana se podrían publicar actualizaciones de estos números, pero no creo que superen unos 660 GeV. Estos números están extraídos de la charla de Ilja Doršner, “Light Colored Scalars as Messengers of UpQuark, Down-Quark and Charged Lepton Flavor Dynamics in Grand Unified Theories,” La Thuile, March 2nd, 2012. No son mucho mejores que los conocidos hace un par de años, Francis, “Nuevos límites experimentales a la masa de los leptoquarks,” 3 julio 2010.

¿Por qué se buscan los leptoquarks en el LHC si no hay ninguna posibilidad de que se puedan detectar en los próximos 20 años? Los teóricos amantes de la idea de los leptoquarks buscan variantes de las teorías de gran unificación que prohíban que el protón se desintegre, eliminando el límite inferior para la masa de los leptoquarks y permitiendo que tengan una masa alcanzable en el LHC. Por ejemplo, en la teoría GUT basada en SU(5), descartada por la mayoría de los teóricos, hay 18 maneras en las que puede desintegrarse un protón, si los neutrinos son partículas de Dirac (aunque hay solo 15 si son de Majorana). ¿Hay variantes de la GUT SU(5) que prohíban todas estas desintegraciones? ¿Qué predicciones realizan estas teorías? En su charla, Ilja Doršner nos habla de sus propias teorías, que según él podrían explicar el momento magnético anómalo del muón (el problema (g-2)mu) y la asimetría en las desintegraciones de pares de quarks top (la asimetría FB en la desintegración ttbar observada por CDF, pero en gran parte descartada por DZero y LHCb).

La ciencia es una navaja de Ockham de afilada hoja. Si se descubren los leptoquarks en el LHC, los pocos teóricos que trabajan en ellos en todo el mundo alcanzarán la gloria, cual héroes que han luchado contra los elementos (la desintegración del protón) y han vencido (con exóticos retruques técnicos que destruyen la belleza de la idea original). Si no se descubren los leptoquarks en el LHC, estos pocos teóricos acabarán olvidados como han acabado olvidados las decenas de miles de investigadores del s. XIX que no aparecen en los libros de texto de ninguna materia. Nadie sabe ni siquiera que existieron, ni siquiera sus tataranietos. Pero no debemos olvidar que la labor de muchos de ellos fue fundamental para remover la paja en el pajar donde los que hoy decoran los libros de texto encontraron la aguja que les llevó a la eternidad.

PS: La búsqueda de una cuarta generación de quarks y leptones (aunque se sabe que solo hay 3 neutrinos en los que se puede desintegrar el bosón Z), la búsqueda de estados excitados de quarks y leptones (que indicarían que son partículas compuestas) y la búsqueda de otros exotismos (microagujeros negros, dimensiones extra, …) forma parte íntegra de las búsquedas que se realizan de forma habitual en los experimentos del LHC (ver, por ejemplo, Dominique Fortin (On behalf of the ATLAS Collaboration), “Searches for Physics Beyond the Standard Model with the ATLAS Detector,” La Thuile, March 2nd, 2012; y Artur Apresyan (On behalf of the CMS Collaboration), “Searches for Physics Beyond SM at CMS,” La Thuile, March 2nd, 2012). Estas búsquedas alimentan la mente de los teóricos y sus escarceos en el borde del precipicio.

La búsqueda de señales a baja energía de la supersimetría también es parte integral de las búsquedas constantes que se realizan en los experimentos del LHC (ver, por ejemplo, Renaud Brunelière (On behalf of the ATLAS Collaboration), “Searches for Supersymmetry at ATLAS,” La Thuile, March 2nd, 2012; y Markus Stoye (On behalf of the CMS collaboration),”SUSY searches at CMS,” La Thuile, March 2nd, 2012). Yo tenía mucha ilusión en este tipo de búsquedas cuando empezaron a publicarse resultados del LHC, pero poco a poco me están empezando a aburrir. Un límite mínimo 100 GeV más arriba o más abajo me aporta poco insight. Lo apasionante, como todas las pasiones, muta conforme transcurre el tiempo. Ahora está empezando a gustarme más leer sobre búsquedas de Higgs exóticos (primos hermanos del Higgs del modelo estándar); ver, por ejemplo, Markus Warsinsky (on behalf of the ATLAS collaboration), “Search for BSM Higgs Bosons at ATLAS,” La Thuile, March 2nd, 2012. ¡Qué cosas! ¡Quién me lo hubiera dicho hace solo dos años!

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8 pensamientos en “Los leptoquarks y los teóricos que acabarán en el pozo del olvido

  1. “Pero no debemos olvidar que la labor de muchos de ellos fue fundamental para remover la paja en el pajar donde los que hoy decoran los libros de texto encontraron la aguja que les llevó a la eternidad.”

    Me encanta esta frase, que gran verdad.

  2. Muy interesante, Francis un par de preguntas:
    ¿Qué relación hay entre los leptoquarks y los bosones gauge X, Y que permiten unificar la fuerza electrodébil y la fuerte (los equivalentes al W y Z de la unificación electrodébil)?
    ¿Sabes si los experimentos para detectar la desintegración del protón siguen funcionando y si hay nuevos en curso o todos están volcados ya solo en la física de neutrinos?
    Detectar la desintegración del protón sería un “bombazo” tremendo: confirmaría la principal predicción de las GUT y nos abriría una ventana para acceder a enormes energías. Según tengo entendido, incorporando SUSY a las GUT conseguiríamos elevar la vida media del protón desde 10exp29 hasta 10exp35 estando todavía “acorde” con las actuales medidas y además lograríamos un mecanismo por el cual la energía se transforma en materia sin ayuda de antimateria, proceso que probablemente sucedió en una época temprana del universo.
    Por otro lado, como dices las GUT basadas en SU(5) están practicamente descartadas y parece que todas sus modificaciones “afean” el bello diseño original, pero quizás las bellas teorías sencillas son demasiado simples para representar la complejidad del universo en el que vivimos. Hace un tiempo leí que una vía prometedora era considerar la representación SO(10) que contiene a la SU(5) y que conlleva una representación 16-dimensional que permitiría “predecir” además de los 15 “campos” conocidos uno nuevo que sería el asociado a los neutrinos dextrogiros cuya existencia muchos físicos creen probable.
    Si la fuerza débil y la electromagnética son la misma ¿por que no iba a suceder lo mismo también con la fuerte? ¿y con la gravedad?
    Esperemos que pronto lleguen las respuestas…

    • Planck trataré de contestar tus preguntas de forma breve… puedes buscar más información en la web.

      “¿Qué relación hay entre los leptoquarks y los bosones gauge X, Y…?” Los bosones X e Y de la GUT SU(5) de Pati-Salam son leptoquarks; en general los leptoquarks es un concepto más general que incluye dichos bosones en otras teorías GUT como la E6.

      “¿Sabes si los experimentos para detectar la desintegración del protón siguen funcionando …?” Oficialmente, todos siguen funcionando y se siguen proponiendo mejoras (por ejemplo, hiperKamiokande). Muchos detectores de neutrinos se utilizan en paralelo para buscar la desintegración del protón (incluso experimentos “pequeños” como ICARUS en Gran Sasso la incluyen en su programa de investigación).

  3. ¿El modelo de patti-salam no tenía leptoquarks que no desintegraban al protón sin siquiera supersimetría?

  4. Muy buena entrada Francis, una duda, podrías explicar la forma del electrón, de que esta hecho, lo que se sabe hasta el momento sobre si es sólido o solo percibimos que lo es pero en realidad no, etc

    • Luis, todo lo que se sabe sobre el electrón lo descubrió LEP 2 en el CERN: el electrón es una fluctuación tipo partícula del campo electrónico cuántico concentrada en una región del espaciotiempo del tamaño de la longitud de Compton; los electrones de mayor energía estudiados hasta el momento indican que el tamaño de esta fluctuación es menor de una esfera de radio de unos 10^-18 m; nadie ha explorado un electrón a una distancia menor que ésta y por tanto, por ahora, solo se puede decir que no está compuesto de nada, es una partícula “elemental.”

      Por supueto, hay muchas ideas sobre la posibilidad de que el electrón, por debajo de los 10^-18 m, está compuesto de cosas, pero todas son meras especulaciones sin sentido, hasta que los experimentos aclaren la situación el electrón es lo que en física llamamos una partícula puntual.

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