Predicciones de Hughes en 1991 para el futuro de la física de partículas

Ian Simpson Hughes publicó en 1972 un libro sobre partículas elementales, que tuvo una segunda edición en 1985 y una tercera en 1991. En esta última introdujo un epílogo en el que agrupaba los problemas más importantes de la física de partículas en tres bloques. Tres de las cuatro problemas del primer bloque ya han sido resueltos y el cuarto casi. Ningún problema del segundo bloque ha sido resuelto, aunque parte del primero lo será pronto. Para los que no conozcan el libro quizás convengan recordar estas cuestiones.

Bloque 1:

  • ¿Cuál es la masa del quark top? Descubierto en 1995, hoy se estima su masa en 173,5±1,0 GeV/c² [Particle Data Group 2012, quark top].
  • ¿Se puede medir la vida media del protón? El límite inferior actual es de 1,1 × 10³⁴ años [fuente].
  • ¿Tienen masa los neutrinos? Descubierto en 1998, hoy en día las estimaciones cosmológicas indican que Σ mν ≤ 0,29 eV [fuente WiggleZ].
  • ¿Cuál es la solución del problema de los neutrinos solares? Que los neutrinos tienen masa.

Bloque 2:

  • ¿Es el mecanismo de Higgs responsable del origen de la masa? ¿Existe el bosón de Higgs? ¿Cuál es su masa?
  • ¿Por qué hay tres familias de quarks y leptones?
  • ¿Cuál es razón del patrón de las masas de las partículas en cada familia y entre ellas?
  • ¿Son los quarks y los leptones partículas puntuales?
  • ¿Cuál es la teoría correcta para la gran unificación entre las interacciones electrodébil y cromodinámica?

Bloque 3:

  • ¿Cuál es la naturaleza de la materia oscura?
  • ¿Cuál es el origen real de la violación CP?
  • ¿Es el universo cerrado o abierto?
  • ¿Qué mecanismo determina la escala de masas de los bariones y la densidad de materia oscura?
  • ¿Por qué la constante cosmológica es cero o cercano a cero? En 1991 no se sabía que era cercana a cero.
  • ¿Por qué nuestro Universo parece depender de pequeñas violaciones de la simetría?
  • Es la teoría de cuerdas en realidad una “teoría de todo” y cómo puede ser puesta a prueba.

9 pensamientos en “Predicciones de Hughes en 1991 para el futuro de la física de partículas

  1. Muy completa la lista para 1991. Hay que tener en cuenta que en 1998 se descubrió que el Universo se expandía aceleradamente por lo que habría que añadir a la lista el problema de la energía oscura y el problema relacionado de la energía del vacío. Yo añadiría también a la lista:
    – ¿Existen dimensiones ocultas del espacio-tiempo? (vibraciones de Kaluza-Klein, etc)
    – ¿Existe física más alla del SM? ¿Cual de los modelos “beyond SM” es el correcto (SUSY, GUTs, etc)?
    – ¿Existió la inflación cósmica? ¿Que partícula o campo fue la responsable?
    – ¿Existe una teoría cuántica de la gravedad?
    Y seguro que me dejo alguna en el tintero…

  2. Francis, soy Física pero debido a que mi trabajo no se ha centrado en esta especialidad, y que una se oxida con el tiempo (tengo ya 37 años), hay muchos aspectos de la Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear que me resultan tan impresionantes como “oscuros” y que desearía conocer con más detalle. Tu blog me sirve para desoxidarme y ver que se está cociendo en este campo de forma detallada y muy bien explicada. Aún así tengo algunas preguntas que puede que sean terriblemente obvias:

    Creo haber entendido que lo que logra la ruptura espontánea de la simetría interna de la fuerza débil en el rango de bajas energías, es el hecho de que uno de los dos campos de Higgs adopta un valor no nulo aún en ausencia de bosón de Higgs. Lo que no entiendo es que si precisamente este campo no nulo se crea en ausencia de partícula de Higgs sea necesario que ésta cuente con una masa determinada para que se produzca la ruptura de simetría. ¿Cuál es la relación entre la masa del bosón de Higgs y el valor del campo de Higgs no nulo? Entiendo que los 250 GeV/c2 concuerdan con la escala de la interacción débil pero no sé porque debe haber una restricción sobre la masa de una partícula que no existe en presencia de este campo no nulo.

    Mi segunda pregunta es el papel que juegan los neutrinos estériles y si va a haber otros leptones o quarks asociados. No veo claro que papel ocupan en la sopa de partículas fundamentales.

    Repito, gracias por tu blog, es de gran ayuda.

    Laura

    • Laura pregunta “¿Cuál es la relación entre la masa del bosón de Higgs y el valor del campo de Higgs no nulo?”

      La respuesta es muy sencilla, ninguna. No hay ninguna relación. La masa del bosón de Higgs es un parámetro completamente libre en la teoría (clásica) de la ruptura espontánea de la simetría electrodébil. La masa del Higgs podría ser un valor cualquiera entre cero (la cosmología indica que no lo es) hasta la masa de Planck (lo que se suele llamar “Higgs invisible” ya que no afectaría en nada a la física a la escala O(1) TeV). El valor más “natural” para la masa del Higgs, cuando se tienen en cuenta las correcciones cuánticas para su masa, es la masa de Planck (si la única física que existe desde los 250 GeV hasta la energía de Planck es la descrita por el modelo estándar y nada más); la supersimetría, por ejemplo, introduce correcciones de signo opuesto a la masa del Higgs bajando su valor a solo O(100) GeV.

      “¿Qué papel juegan los neutrinos estériles y si va a haber otros leptones o quarks asociados?”

      Las neutrinos tienen masa y pueden ser partículas de Majorana o de Dirac. Si son partículas de Dirac tienen que tener componentes de helicidad izquierda (las que observamos en los experimentos) y de helicidad derecha (nadie las ha observado aún). Los neutrinos estériles son las componentes de helicidad derecha de los neutrinos del modelo estándar. Por alguna razón que desconocemos, estas componentes no se acoplan a las interacciones del modelo estándar (por eso son estériles) salvo a la gravedad. Por tanto, los leptones y quarks del modelo estándar ya están asociados a dichos neutrinos.

      Por supuesto, si los neutrinos fueran partículas de Majorana, los neutrinos estériles tendrían que diferir de los neutrinos que conocemos en algo más que su helicidad; en dicho caso no sabemos si tendrán o no leptones o quarks asociados (si los tuvieran tendrían que ser muy pesados, fuera del alcance de todos los experimentos a día de hoy).

      • En el libro de Lisa Randall creo que ponía que sí que había vinculación entre ese campo no nulo y la necesidad de tener la masa de 250 GeV y luego más adelante planteaba el problema de la jerarquización que con la versión unificada la masa tendría que ser la de Planck. Bueno, me estoy explicando como un libro cerrado.
        Muchas gracias por tus aclaraciones, tendrías que escribir un libro, lo digo en serio. Hasta entonces qué libro me recomendarías para desoxidarme correctamente?
        Laura

      • No has sido muy preciso en la respuesta Francis. Es verdad que la masa del bosón de Higgs es un parámetro “libre” del SM, pero hay una relación exacta entre la masa del bosón de Higgs, el autocoplo del potencial no lineal del mecanismos de Higgs (algo vital en el SM), y el v.e.v. (valor de expectación en el vacío) de la teoría electrodébil tras ruptura espontánea de simetría:

        Masa del Higgs = (v.e.v.) x (autoacoplo del Higgs) x ( raiz cuadrada de dos) ~ (autoacoplo) x (345) GeV.

        en donde he usado que v.e.v ~ 246 GeV. El punto es que la masa del Higgs no la determina el Modelo Estándar debido a que el Modelo estándar no da ninguna predicción para el autoacoplo del Higgs (generalmente denotado por la letra griega lambda). El v.e.v de 246 GeV es un valor que se determina experimentalmente y está ligado a la constante de Fermi y está también vinculado a la masa de los bosones vectoriales W (y Z) de la teoría electrodébil. Esto último significa que midiendo la masa del W (o del Z) y sus acoplos, puedes también determinar el v.e.v. Que como muestra la expresión de arriba deja como incógnita el autoacoplo del Higgs, así como el valor del acoplo del Higgs a los campos del modelo estándar via interacciones tipo Yukawa. Una ve que lambda sea conocido/medido (una medida muy difícil si no imposible en el LHC, pero seguro que alguien suficientemente inteligente acaba encontrando una forma) el modelo estándar se “cierra”. Nadie sabe sin embargo por qué el acoplo del Higgs al top es “natural” mientras que para otros quarks y leptones, o los bosones vectoriales masivos son los que son. Para los neutrinos, si prescindimos del seesaw, los yukawas del Higgs con ellos serían canijos en comparación a los otros. No hay explicación para ello en el SM. Y es otro indicio serio de que hay nueva Física esperándonos … Y quizás muy pronto vamos a ver las primeras señales de esta Nueva Física…

  3. Andrés Guzman, lo mismo nos preguntamos muchos. Ante esta pregunta, quizá por un acto de defensa intelectual, siempre acudo a la imagen de un universo de tres dimensiones con el tiempo acoplado. Para mí la realidad física se acota en dimensiones. También habría que preguntarse si el universo está en aceleración. ¿Abierto o cerrado, estático o acelerado?

    Si el universo se acelera, como parece ser el caso, el universo es abierto. Si la atracción gravitatoria es más fuerte que la expansión inicial propuesta por el modelo inflacionario, el universo colapsa, es un cosmos cerrado. Si la expansión decrece con el paso del tiempo, estamos ante un universo plano. Einstein incluyó su constante cosmológica para dibujar un universo que no se acelerase, desconfiaba de un universo en expansión. Sin embargo, la existencia de la energía oscura parece indicar que el universo se acelera, esto quiere decir que el universo es abierto. Incluso si nuestro universo fuese plano, también se expandiría.

    Yéndonos al universo propuesto por Einstein tenemos que dibujó una esfera en reposo cuya superficie representa el espacio tridimensional. El volumen total de este universo no es infinito porque una esfera no es infinita, pero tampoco tendría bordes o límites porque la superficie de la esfera no los tiene. El universo einsteniano es, acorde a esta imagen, finito pero ilimitado.

    Ahora bien, el concepto de aceleración/expansión es ambiguo, por eso Einstein miró este asunto con desconfianza. Resulta que las galaxias más lejanas a la Vía Láctea se alejan de nosotros cada vez más. Se cree que cuando el universo tenía 6.000 millones de años dejó de frenarse y a partir de ahí comenzó su aceleración. Un universo hiper expandido o hiper acelerado centrifugaría la materia ordinaria, entonces las leyes de la atracción y repulsión de la materia perderían progresivamente sentido. Al ser enormes las distancias entre los objetos cósmicos, más que hablar de un universo compacto estaríamos ante islotes de materia afectos a leyes físicas locales.

  4. “¿Es el universo cerrado o abierto? – Abierto.”

    Depende. Si el universo se expande/acelera en un plano euclídeo de tres dimensiones, es cerrado. Ya se encarga la energía oscura (o lo que llamamos energía oscura) de centrifugar la materia bariónica y, por tanto, el destino del universo tridimensional con su dimensión de tiempo acoplada es colapsar.

    “¿Es la teoría de cuerdas en realidad una “teoría de todo” y cómo puede ser puesta a prueba? La teoría de cuerdas es en realidad una “teoría de nada”.

    Bueno, la teoría de cuerdas, con independencia de que sea una teoría de todo o de nada, trata de salvar el rumbo al colapso del universo tridimensional. Porque, en efecto, si el universo tridimensional no tiene una o varias dimensiones de escape, terminará por extinguirse. Aquí entra en juego la percepción del observador relativista, no es lo mismo observar un universo con tres dimensiones que otro con cuatro, cinco o n dimensiones.

    No tengo claro a qué te refieres con el mecanismo de Mach. Por simplificarlo mucho, Mach argumentaba que el hecho de que los objetos cósmicos estén en reposo o en movimiento dependía de la distribución de masas universal. El universo machiano era relacional, newtoniano. Pero desde el momento en que Einstein introduce la geometría de Riemann en su teoría, que describía un espacio no euclídeo, el conflicto estaba servido. Ahora es la curvatura de la materia que comba el espacio la que dicta la relación entre los objetos cósmicos. Es perfectamente asumible el planteamiento relacional de Mach aplicado a un universo con tres dimensiones, pero pierde consistencia en un universo no euclídeo que puede contener n dimensiones.

    Peor aún para la teoría de Mach, las ecuaciones de campo de Einstein admiten un universo sin masa o con poca masa. Esto lo vio con claridad de Sitter; el observador de De Sitter contempla con sorpresa que los objetos cercanos se mueven/expanden con lentitud mientras que los lejanos lo hacen con velocidad creciente al punto que parecen alejarse con velocidad “c” o incluso hiper “c”. Como la RE prohíbe que la información material se transmita a mayor velocidad que “c” tenemos que los objetos lejanos ¡¡pierden su masa!!, y por consiguiente perdemos contacto con ellos. Y no es que los objetos lejanos dejen de existir, sólo que ya no están en nuestro universo de tres dimensiones acotado por el límite que impone “c”.

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