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

La supersimetría (SUSY) es una teoría muy “goddamn” porque, como mínimo, duplica todas las partículas que conocemos y además, como mínimo, quintuplica el número de bosones de Higgs. La versión más sencilla de la SUSY (el modelo supersimétrico mínimo o MSSM) predice cinco bosones de Higgs: Dos de ellos son como el bosón de Higgs del Modelo Estándar (SM), partículas escalares neutras, llamándose h el de menor masa y H el de mayor; además, predice un bosón de Higgs neutro que es una partícula pseudo-escalar, llamado A, y dos bosones de Higgs cargados que son partículas escalares con carga positiva H+ y negativa H. ¿Qué diferencia el bosón de Higgs SM de los bosones de Higgs supersimétricos h y H? Nada, nada en absoluto, salvo que hay dos en lugar de uno. ¿Podría haberse descubierto en el CERN el 4 de julio un Higgs supersimétrico? Por supuesto, pues es imposible distinguirlos si la diferencia entre las masas de h y H es grande. Podemos distinguir el Higgs A del Higgs SM, pero los Higgs h y H son imposibles de distinguir.

Creo que hay recordar las dos opciones posibles a día de hoy. La primera es que se haya descubierto el bosón de Higgs H y por tanto algún día se descubrirá que existe otro bosón de Higgs h con una masa más pequeña (bastante menor de 125 GeV). La segunda opción es que se haya descubierto el bosón de Higgs h y por tanto algún día se descubrirá que existe otro bosón de Higgs con una masa mucho más grande (bastante mayor de 125 GeV). La opinión general de los expertos es que, tras 20 años buscando al Higgs por debajo de 115 GeV en LEP2 sin encontrarlo, la opción correcta debe ser la segunda. Es decir, si la SUSY se observa a baja energía en la escala alcanzable por el LHC del CERN, hay que seguir buscando un segundo bosón de Higgs con una masa mayor de unos 560 GeV (por debajo ya ha sido excluido que exista por los datos publicados el pasado 4 de julio). Por supuesto, si la SUSY no se da a baja energía (o a una escala alcanzable en el LHC), es imposible saber si el bosón descubierto el miércoles pasado es el Higgs del modelo estándar o el Higgs h supersimétrico, pero como no importa la diferencia, porque no la hay, la navaja de Ockham nos exige hablar de Higgs del modelo estándar (hasta que no se descubra alguna otra partícula de Higgs o supersimétrica).

¡No me lo puedo creer! ¿Pero de verdad no hay ninguna forma de distinguir un Higgs SM de un Higgs SUSY? En realidad sí la hay, podemos descartar el modelo MSSM por otros medios y descartado éste, automáticamente caen sus predicciones en el sector del Higgs. Pero recuerda que si el LHC descarta el modelo MSSM, no pasa nada con la SUSY pues podemos usar los modelos CMSSM, cMSSM,  NMSSM, nuMSSM, pMSSM, mSUGRA, etc. (hay cientos de variantes). Descartar la SUSY de forma absoluta gracias al LHC es imposible, solo se pueden descartar ciertos modelos y solo en la escala de energía alcanzable (hasta unos 5 TeV como mucho con colisiones a 14 TeV c.m.). ¡Vaya con esa “goddamn” SUSY!

¿Cómo se pueden producir en una colisión del LHC los bosones h, H y A? Exactamente de las mismas formas que se puede producir el Higgs SM, es decir, el 90% se producirá por fusión de gluones vía tres quarks top virtuales (los bosones de Higgs cargados se producirán de otra forma, pero no importa). ¿Cómo pueden observarse? Igual que el Higgs SM para los bosones h y H, pero en ciertos canales solo para el A.

¿Se están buscando los bosones de Higgs SUSY en el LHC? Sí, por supuesto, pero aún no han sido encontrados. Ver, por ejemplo, para los bosones MSSM en CMS las transparencias de la charla de Christian Veelken (CMS), “Search for Higgs Particles in MSSM SUSY,” ICHEP 2012, 6th July, y para otros modelos NMSSM la de Jim Olsen (CMS), “Beyond MSSM Higgs @ CMS,”  ICHEP 2012, 6th July.

¿Pero de verdad no pasa nada si no se descubre la SUSY en el LHC? A todos los físicos nos gustaría que se descubriera, sobre todo porque hay muchos físicos trabajando en ella, pero la verdad es que no pasaría nada. Como nada pasó cuando el Tevatrón a principios de los 1990 no la descubrió. La seguimos buscando con el mismo ahínco que entonces y si el LHC no la encuentra en los próximos 20 años, la seguiremos buscando con el siguiente colisionador. Así de sencillo.

¿Puede resolver la SUSY todos los problemas que resuelve incluso si el LHC no la encuentra? Todos no, pero yo diría que casi todos y los que no resuelve, pues se siente, no los resuelve y punto. La SUSY no es la solución a todos los problemas del Modelo Estándar y si alguno de los problemas que podría resolver no lo resuelve pues no pasa nada.

¿Pero no dicen que la SUSY es “natural” y que el SM no lo es? Sí, lo dicen, pero seguirá siendo igual de natural incluso si ninguna superpartícula es observada en el LHC. Ver, por ejemplo, Xerxes Tata (Univ. Hawaii), “Natural Supersymmetry,” ICHEP 2012, 6th July. El asunto de la naturalidad ha estado muy de moda en la década de los 2000, pero en la década de los 2010 ya ha pasado de moda. ¿La física tiene modas? Como toda actividad humana.

No sé si le he aclarado las ideas a alguien o por el contrario las he liado más, pero bueno, lo siento en este último caso.

22 pensamientos en “El bosón de Higgs encontrado en el LHC y su relación con la supersimetría

  1. Dr Francis de no encontrarse en el futuro próximo(20 años o más) señales de la supersimetrría ¿cuál otra teoría es su favorita para resolver el problema de la jerarquía de masa que introduce un bosón de Higgs en 125 Gev?.

  2. Excelente artículo, gracias por aclararnos varias interrogantes. Como ignorante en SUSY no he podido responder varias preguntas que me han hecho, ahora tengo una referencia que dar.
    Un saludo!

  3. A ver que poso queda tras la resaca del descubrimiento….Además de los que quieren más descubrimientos, cómo por ejemplo alguna versión de SUSY, hay otras reacciones:

    –Woit: “While this announcement is a great triumph for physics, unfortunately it significantly increases the probability of what has become known as the “Nightmare Scenario”: a SM Higgs discovery and nothing else at LHC energies. Before the LHC results started to come in, this scenario and its consequences was easy to ignore, but we may be getting closer to the point where it needs to be taken very seriously”

    –Wolfram, que cómo es sabido trabajó en física de partículas y hoy es defensor de modelos discretos (en base a CA) (siendo usuario de Mathematica desde hace tiempo, le respeto por su éxito cómo ingeniero de software y empresario) en un guest-post en TRF:

    “The Standard Model is certainly not the end of physics…”…”…In fact there’s no reason all the richness we see in our universe couldn’t arise from some underlying rule—some underlying theory—that’s even quite simple”.

    Lubos, responde:

    “I still haven’t understood the intellectual step going from this situation to the perception that one could use the classical cellular automata or something like that instead of the Standard Model or general relativity or string theory”.

    http://motls.blogspot.com.es/2012/07/stephen-wolfram-on-higgs-particle.html.

    • proaonuiq, como bien sabes, las señales que nos indican que hay algo más allá del modelo estándar son las mismas el martes (antes del descubrimiento del Higgs) que el jueves (después). Son las mismas. Quien pensaba que el Higgs no existía y que esa sería la primera gran señal, olvida que hay muchas otras señales. El Higgs existe. Punto. Una señal menos para quien apostaba porque no existía. Pero las demás señales siguen estando ahí. No hay diferencia. Todo sigue igual. Una vez que pase la euforia todo continuará como antes. Por cierto, siempre es así.

  4. SUSY tiene dos aspectos atractivos. Por un lado parece ser (casi) ubicua en los intentos de poner la relatividad general y la mecácnica cuantica bajo un mismo marco. Por otro lado durante los últimos 15 años se la ha utilizado para explicar el “problema de las jerarquias”.

    La primera propiedad sigue siendo igual de valida si SUSY existe en cualquier escala de energia entre la que estamos ahora y la escala de Plank, pero para resolver el problema de las jerarquias, SUSY no puede romperse a una energía demasiado alta (si no el Higgs sigue recibiendo correcciones radiativas cuadraticas hasta la escala de la ruptura de SUSY, y sigue haciendo falta un fine tunning).

    Yo creo que el no haber encontrado SUSY *ya* en el LHC casi descarta a SUSY como una solución al problema de las jerarquias. De hecho creo que el problema de las jerarquias es mas un problema nuestro que de la naturaleza (i.e. de como “regularizamos” la teoría).

    Por supuesto SUSY puede aparecer en cualquier momento, pero segun pasa el tiempo estoy mas convencido que sera relevante para la unificación con la gravedad, y por lo tanto lo “natural” esque aparezca a una escala proxima a la energía de Plank. Lo que encontremos hasta entonces (esperemos encontrar algo), es una incognita para mi, pero personalmente no voy a usar más el argumento de las jerarquias para obtener pistas. Las pistas estan en dos sitios: Inestabilidad del vacio (acoplo del Higgs con el top), y el hecho de que el Higgs no es renormalizable (trivialidad).

    Saludos!

    V.

    • V, opinas igual que yo. La SUSY a alta energía es natural (igual que para Demócrito era natural la idea de los átomos). A baja energía es solo un intento por parte de muchos físicos de tratar de vivir en vida lo que Demócrito no pudo vivir.

    • Me ha gustado mucho su comentario, V. Creo que no entendemos bien los problemas de ajuste fino (energía de vacío, masas de escalares, etc.). ¿Hemos resuelto alguna vez una un problema de ajuste-fino? Quizá exista una formulación de QFT en la que estos problemas no estén presentes. Por cierto, estos problemas sólo existen en la visión “moderna” de QFT como teoría efectiva, en la visión antigua —en la que los operadores malignos son los irrelevantes en lugar de los de dimensión inferior a 4— no está presente.

      También estoy de acuerdo en el problema de la inestabilidad del vacío. Con una masa de 125 GeV parece que el vacío del Modelo Estándar se hace inestable a 10^10 GeV aproximadamente.

      Una pregunta: pensaba que si el Higgs tenía una masa inferior a unos 180 GeV no había problema de trivialidad (el autoacoplo del Higgs se hace muy grande a una energía finita) puesto que el autocoplo, en el caso de esta masa, no se haría muy grande antes de llegar a la escala de Planck en donde ya sabemos que el Modelo Estándar no vale. ¿No es correcto lo que digo?

      • El problema de la trivialidad existe siempre. De hecho, el nombre “trivialidad” es un poco confuso, es más sencillo decir simplemente que la teoría no es renormalizable.

        Lo que hace los argumentos de trivialidad “complicados” es que la teoría *si* es renormalizable perturbativamente (a todos los ordenes en teoría de perturbaciones puedes apañar las constantes desnudas de la teoría para reproducir la física que quieres), pero no lo es de forma no perturbativa.

        Parece contradictorio, pero si se piensa un rato es muy facil encontrar ejemplos de cosas que son ciertas a todos los ordenes en teoría de perturbaciones pero no lo son para la serie sumada. Un ejemplo chorra: La ecuación

        \sin(x) = 2

        Obviamente no tiene solución (real), pero si que las tiene si expandes la función \sin(x) en su serie de Taylor. De hecho el polinomio de Taylor tiene soluciones a todos los ordenes, pero la serie “completa” no las tiene.

        Así tomado la trivialidad lo que te dice es que el modelo estandar, con Higgs, no es una teoria renormalizable, y por lo tanto tiene que haber “algo más” de lo que el modelo estandar es solo una teoría efectiva. Pero convertir este argumento en algo más útil que nos diga a que energía en concreto van a aparecer signos de ese “algo más” es harina de otro costal.

      • Una cosa que es importante resaltar, y más ahora que el Higgs ha sido hallado es que el Modelo Estándar no responde a por qué el Higgs tiene esa baja masa que ya indicaban las medidas de precisión del SM. Una partícula escalar como el Higgs no está protegida por ninguna simetría (invariancia gauge) del lagrangiano en el SM, por lo que su masa sufre correcciones cuánticas ( la masa se renormaliza). El problema gordo es que, las correcciones cuánticas a la renormalización de la masa de partículas como el bosón de Higgs o similares escalares en el SM crecen sin control alguno. Por ende, algo debe evitar eso…O bien la renormalización es “una chapuza”. Las únicas opciones conocidas para entender por qué un Higgs puede mantenerse a baja masa son:

        a) Introducción de SUSY. Equivalentemente, introducción de nuevas partículas aún no vistas.

        b) Compositeness Higgs/Higgs compuesto. Si el Higgs, una partícula escalar, estuviera hecho de “cosas”, i.e., si el Higgs tuviera “microestructura”, podría explicarse por qué no hay correcciones a la masa justo como ocurre en QCD con la simetría quiral y el condensado de quarks en el confinamiento(está aproximadamente rota).

      • amarashiki, Insisto en que ese punto de vista es una interpretación, y no un hecho físico medible.

        a) La renormalización que crece sin control del Higgs es una constante aditiva cuadratica que *no* aparece en todos los esquemas de regularización. En otras palabras es algo que no se puede medir ni observar.

        b) Desde el punto de vista del grupo de renormalización, esa constante aditiva cuadratica se puede eliminar simplemente haciendo un cambio de coordenadas en el espacio de parámetros de la teoría.

        En resumen el “problema de las jerarquias” es un prejuicio teoríco relacionado con la forma en la que nos calculamos las cosas, *no* un hecho físico medible. El verdadero problema de las jerarquias surge cuando hay dos escalas muy distintas en una teoría. Entonces si que necesitas un ajuste fino (aunque es solo logaritmico, y tambien tienes ese problema con fermiones) para mantener esas dos escalas separadas.

        La referencia que he dado arriba habla de eso.

      • De todo esto de estabilidad, correcciones, compañeros del top etc han hablado no en la plenaria del Higgs… sino en la del top! De hecho han mostrado includo el mismo grafico que amarashiki tiene de fondo en el facebook :-D

      • Gracias por su detallada respuesta, V. Mi visión del tema es la siguiente. El Modelo Estándar NO es una teoría consistente a energías arbitrariamente altas por varias razones, entre ellas: no incluye de una forma aceptable (a energías cercanas a la de Planck) la gravitación y no se la puede dar sentido no-perturbativo en Minkowski (series asintóticas en lugar de convergentes). Aceptado esto, la pregunta pasa a ser ¿hasta qué escala de energía podemos confiar en el Modelo Estándar como una teoría aproximada? Bajo esta perspectiva el problema de la “trivialidad” NO es problema si se hace relevante a una escala de energía superior a la de Planck. Entonces miro el grupo de renormalización del autoacoplo del campo de Higgs en el Modelo Estándar y me encuentro con (o mejor dicho, sospecho que puede haber) problemas relacionados con que el autoacoplo se me puede hacer negativo (lo que hace que el vacío no sea el que yo ingenuamente había elegido) o que se me haga demasiado grande. Entonces miro cuándo (es decir, a qué escala de energía) afloran esos problemas y veo (o sospecho) que siempre y cuando la masa del Higgs sea mayor de 130 GeV el problema del estado del vacío no surge antes de la energía de Planck y que siempre y cuando la masa del Higgs sea menor a 180 GeV el autocoplo del escalar no se me va a hacer muy grande antes de la energía de Planck. Por supuesto que los problemas siguen estando y me dicen que la teoría no es autoconsistente (y que tiene que haber algo más allá del Modelo Estándar) pero desde un punto de vista pragmático no me tengo que preocupar siempre que esté muy por debajo de la energía de Planck. No sé si estará de acuerdo…

        Gracias por el artículo y por el ejemplo del seno que no conocía y es curioso.

  5. Motl esta que no caga con la posiblidad de encajar un grupo de stops a 300GeV y con eso justificar el exceso de fotones y tal. A mi me llamaria mas la atencion que lo que se ha encontrado ahora fuera un szino (palabro que me he inventado esta mañana, pero que en el CMS tiene simbolo latex) y que lo de 300GeV, si hay algo, fuera la pareja de swinos.

  6. Este con seguridad ya es mi blog favorito (Y uno de mis principales sitios de amena y muy enriquecedora lectura).

    Me declaro un completo ignorante al respecto de la SUSY, y por ello me gustaría pedir algún post para explicar, he leído varios libros de divulgación y en la gran generalidad de ellos me dejan con un mal sabor de boca, Especialmente recuerdo hace tiempo haber leído Hiperespacio de Kaku y en seguida caer en un revoltijo de ideas por que nunca me quedó claro como es que intentan cambiar un Bosón por un fermión me pregunto.. ¿Qué pasa con la conservación del espín por ejemplo?… en fin si fuera posible de mi parte tienes un asiduo lector

    Saludos muchas felicidades.

  7. Ramiro, por aquí tengo un librito ameno de leer escrito por John Gribbin, profesor de astronomía en la Universidad de Sussex. Se llama “En busca de SUSY” y lo editó Crítica en 2000. El libro consta de una introducción, cuatro capítulos y dos apéndices, pero no llega a las doscientas páginas. Seguro que te será útil.

  8. Artemio.

    Gracias que amable,tengo algo de tiempo libre voy a buscar y a leer tu recomendación.
    Gracias

  9. V: que la constante aditiva importa y no es algo “naive” que dependa del esquema de regularización lo puedes ver en el problema de la constante cosmológica. ¿Es la energía del vacío medible? Sí…Las energías ( o masas) de los campos son medibles. No son meras constantes aditivas que tú puedes ignorar. Si se ignoran en la presente formulación de nuestras teorías físicas es porque escogemos cierta forma de calcular que nos permite “meter dichas constantes debajo de un felpudo” que se las come que da gusto (renormalización y regularización tricks). Al mismo Feynmann no le gustaba, pero reconocía que era una manera de que las cosas funcionaran.
    Otro ejemplo sería contar cómo la introducción de la antimateria solucionó el asunto de las correcciones cuánticas de la masa del electrón en QED (no en el modelo estándar).
    Yo cada día que pasa pienso que SUSY es un montón de chatarra y que posiblemente los electrones y quarks , así como neutrinos o los mismos bosones vectoriales y el Higgs tienen que ser “compuestos”…Especialmente, es la fórmula de Koide la que me hace pensar en esa opción…

    • En qué situación se mide la energía de vacío? En el efecto Casimir no creo que se esté midiendo esta energía. ¿Alguna otra situación?

      • La constante cosmológica se mide en observaciones cosmológicas. Es el problema teórico definitivo el entender por qué hay un desfase de 120 órdenes de magnitud (o 60 si metes SUSY) entre el valor cosmológico y el valor que predicen las teorías cuánticas de campo. Y si bien el efecto Casimir no mide directamente la energía del vacío, sí mide la fuerza inducida debida a esa energía.

    • amarashiki, la gravedad nadie sabe como “meterla” en la interpretacion cuantica. El problema de la constante cosmologica es otro. A lo mejor los gravitones no se acoplan a esa constante aditiva del vacio, o vete tu a saber lo que hace la gravedad cuantica.

      Pero en teoria cuantica de campos, que si que entendemos bien, los parametros desnudos de una teoria no tienen ningun sentido físico, y el intentar darselos, tal y como hace el problema de las jerarquias hay que hacerlo con mucho cuidado. Dicho de otra forma, el que “las correcciones cuánticas a la renormalización de la masa de partículas como el bosón de Higgs o similares escalares en el SM crecen sin control alguno” es un punto de vista que te puede valer para saber que buscar, pero que formalmente no tiene ningun sentido. Esas correcciones a la masa no son tal, ya que lo que corrigen es la masa desnuda (el parametro del lagrangiano) del Higgs que ni es medible, ni siquiera es una masa en el sentido de polo del propagador de una partícula que se propaga. El grupo de renormalización de Wilson da una interpretación mucho mas clara de lo que son los parametros del lagrangiano.

      Esas ideas pueden servir para guiar tu intuicion (igual que muchas otras cosas), pero no es un hecho. Solo critico que esa idea por un lado se ha convertido en una “verdad” a base de repetirla mucho, y por otro se ha convertido en casi la unica motivación para buscar física mas alla del MS en los últimos años. El no encontrar SUSY (o otra cosa) hasta ahoar en el LHC *quizas* indique que esa intuición esta haciendo aguas…

      Y a mi tambien me gustan los Higgs compuestos (y por lo tanto una solución “dianamica” a la trivialidad), pero por desgracia las versiones mas simples se llevan a patadas con las corrientes vectoriales neutras que cambian el sabor.

      Saludos!

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