Naturalidad y nueva física más allá del modelo estándar

Dibujo201308125 naturalness - slide - SEARCH 2013 - raman sundrum

En física, cuando los experimentos no marcan la pauta, hay ideas y gurús que marcan el camino. La última década ha estado dominada por la idea de la naturalidad, cuyo gran gurú es Nima Arkani-Hamed. Esta idea afirma que la solución “natural” a varios problemas del modelo estándar es la existencia de nueva física en la escala de energía de los TeV (entre 100 GeV y 1000 GeV), la escala que explorará en detalle el LHC del CERN. Natural significa que no se requiere un ajuste fino de los parámetros. Si la idea de la naturalidad es correcta, la nueva física más allá del modelo estándar está a la vuelta de la esquina (supersimetría, dimensiones extra y demás física exótica). El LHC entre 2010 y 2012 no ha encontrado nueva física. ¿Significa eso que la naturalidad es una idea errónea? Quizás no, pues también es “natural” que la nueva física esté entre 1 TeV y 10 TeV, o incluso más allá; por qué es “natural” un parámetro del orden de la unidad, pero lo es menos uno que sea del orden de una décima o de una milésima. Nos lo recuerda Raman Sundrum, uno de los organizadores del workshop SEARCH (Susy, Exotics And Reaction to Confronting Higgs) [slides, video]. Más charlas en la web del SEARCH workshop. Un buen resumen en Matt Strassler, “SEARCH day 1,” Aug 21, 2013, “SEARCH Day 2,” Aug 22, 2013, y “Final Day of SEARCH 2013,” Aug 23, 2013.

Dibujo201308125 sparse spectrum - slide - SEARCH 2013 - raman sundrum

La naturalidad pretende resolver el problema de la jerarquía. Hay muchas definiciones posibles de este problema, expondré una de ellas. El modelo estándar no predice la masa del bosón de Higgs y una masa de 125 GeV es igual a 10-17 veces la masa de Planck. ¿Por qué es tan pequeña? La naturalidad nos propone que lo es porque hay nuevas partículas con masa por debajo de 1000 GeV, ya que los bosones escalares (partículas de espín cero) en el pasado siempre han estado asociadas a nuevas partículas (recuerda que en el pasado los bosones escalares siempre han sido partículas compuestas).

Pero hay que tener claro que, incluso si la idea de la naturalidad es correcta, en la escala TeV nadie espera encontrar un gran número de nuevas partículas; como mucho, sólo los primeros ejemplos de nuevos tipos de partículas (como las supersimétricas). Entre la masa del electrón (0,000511 GeV) y la del quark top (173 GeV) hay cinco órdenes de magnitud, ¿por qué no va a ocurrir lo mismo con las nuevas partículas?

Dibujo201308125 long lifetimes - slide - SEARCH 2013 - raman sundrum

Más aún, la vida media de las nuevas partículas puede ser enorme, incluso puede que sean estables. Si hay una simetría que proteja a las nuevas partículas, impedirá que las más ligeras se desintegren en partículas del modelo estándar, con lo que detectar estas nuevas partículas será muy difícil. Habrá que excitarlas en nuevas partículas más pesadas para que puedan decaer en partículas conocidas y las podamos identificar en las búsquedas en los grandes colisionadores de partículas (como el LHC). El camino no tiene porqué ser fácil.

En cierto sentido la idea de la naturalidad es algo parecido al “principio antrópico” y como tal no gusta a mucha gente. El Sol y la Luna tienen un diámetro aparente casi idéntico visto desde la Tierra, lo que nos brinda el espectáculo de los eclipses solares, pero no hay ninguna razón física para ello, se trata de una pura coincidencia. ¿Cuántos planetas extrasolares tendrá una luna similar? Quizás el espectro de las partículas es el resultado de un proceso dinámico a alta energía y depende fuertemente de las condiciones iniciales, que pueden ser aleatorias. Sólo el tiempo nos dará la respuesta. La física de partículas, como la vida misma, da sorpresas. Quizás la nueva física que observe el LHC no tenga nada que ver con lo que esperamos observar.

Dibujo201308125 higgs to invisible - dark matter - cms - lhc

En este sentido Mattt Strassler nos propone en su charla [blog, slides, video] cuatro caminos “exóticos” hacia la nueva física que hay que explorar (la figura de arriba está sacada de la charla de CMS sobre el Higgs [slides, video]). (1) Desintegraciones “exóticas” del Higgs, ya que sus acoplos son muy sensibles a nuevas partículas. (2) Modelos “naturales” de la supersimetría, en los que la masa del Higgs, W y Z cambia muy poco, por lo que tienen un Higgsino ligero (cientos de GeV o menos), un stop (top squark) ligero y un gluino en el rango de 1 a 2 TeV. (3) Partículas de larga vida (mayor de una billonésima de segundo), capaces de recorrer más de 1 mm antes de desintegrarse. Y (4) señales “blandas” (con energías del orden del GeV) que acompañan a las colisiones “duras” que producen nuevas partículas. Se trata de cuatro caminos poco explorados y con toda seguridad habrá físicos experimentales se volcarán en la búsqueda de estas señales.

Buscar las llaves bajo la farola es fácil, todos sabemos hacerlo. Buscar donde no llega la luz requiere el desarrollo de nuevas técnicas de búsqueda. Quizás el camino hacia la nueva física esté en la mano de físicos jóvenes que decidan “rascar donde no pica.”

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3 pensamientos en “Naturalidad y nueva física más allá del modelo estándar

  1. El criterio de naturalidad ocupado me parece similar al sobar la bola de cristal o a la olla con sopa de renacuajos y uñas de gato, quizás no es adivinación pero me parece muy cerca.
    Lo natural es que el Uno no es primo porque no cumple el teorema fundamental de la aritmética, se pueden hacer concesiones, jugar aquí y allá pero lo natural es eso.
    En resumen lo natural no tiene que ser lo mas lógico, es una opinión.

  2. La no naturalidad del Modelo Estándar a nivel de casi todos los Yukawa del Higgs con fermiones y en la diferencia entre la escala de masas del SM con la masa de Planck, no entro a valorar la naturalidad de SUSY porque siendo parcos, no hay evidencia de SUSY aún, por lo que no me interesa ese punto, es manifiesta. De hecho, el único acoplo natural del Higgs a fermiones es con el quark top, y como sabiamente me dijo Alejandro hace unos días, es uno de los misterios más profundos del Modelo Estándar. ¿Por qué el acoplo al top es tan próximo a uno mientras que para el resto de partículas el higgs no se acopla naturalmente? ¿Qué se oculta tras ese anormalmente pesado quark? Porque es rarísimo que el top quark sea tan pesado en comparaciòn a sus hermanos. Para los neutrinos es incluso peor (pequeña jerarquía), aunque puestos a comentar cosas no naturales, ahí tenemos la diferencia entre la energía del vacío que nos da QFT y la observada (ridícula en comparación con la primera), y la discrepancia entre la masa de Planck y la escala electrodébil es otra jerarquía cuando menos extraña.

    La clave está en lo que podamos averiguar en LHC13 y LHC14. Y más nos vale encontrar alguna pista clara o me temo estaremos muchos años buscando materia oscura superliviana en experimentos a baja energía o evidencias de cosas nuevas en oscilaciones de neutrinos y procesos astrofísicos o en los propios rayos cósmicos (otro gran misterio sin resolver aún).

    Comentario: Una de las cosas peor entendidas es la gravedad a nivel cuántico. Prueba de ello, es que ni con SUSY se logra “matchear” el running de la constante de Newton con el resto de acoplos (véase el gráfico de la charla de arriba). Es muy posible, que G no sea fundamental y que hacer el running de G sea muy no trivial (la gravedad asintóticamente libre de Weinberg parece indicar otra cosa, aunque no comprendo aún esa idea del todo, sí en esencia, pero no en porqué el punto ultravioleta fijo de la gravedad debe estar “alto”) o haya que buscar una mejor constante G. El problema, para mí, es la gravedad cuántica. Da problemas hasta con SUSY¡! Y sin fenomenología que ayuda a desentrañar sus misterios, podemos seguir con el SM y Higgs interactions alone durante mucho tiempo. Necesitamos meter a la gravedad en “el mapa”.

  3. Quizas lo que se haya perdido es aquel criterio de que Natural implicaba una simetria, o más bien que si alguna cantidad era pequeña respecto a la escala natural, existia algun limite en la que una simetria perdida se restauraba y esa cantidad pasaba a ser cero por motivos de simetria. Creo que era ‘t Hooft el que lo contaba asi.

    Supongo que se podria hacer el mismo argumento para cuando algo, como el yukawa del top, es demasiado natural, aunque en este caso particular lo más que yo he visto son argumentos de grupo de renormalizacion haciendolo acercarse al valor uno, y no recuerdo si dependian de alguna simetria que se restaure justo en ese limite o que exista durante todo el proceso.

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