La escala de energía de la supersimetría más allá del alcance del LHC

Dibujo20130830 Savas Dimopoulos - States of BSM Theorists after LHC 8

Recordar es fácil para los viejos, olvidar es fácil para los jóvenes. A principios de los 1990 se pensaba que había una plétora de partículas supersimétricas con una masa inferior a la masa del bosón Z que resolvían de forma natural el problema de la jerarquía. Gracias a LEP sabemos que no es así. A principios de los 2010 muchos físicos pensaron que esas partículas tenían una masa al alcance del LHC, pero las colisiones a 8 TeV c.m. del año 2012 nos han mostrado que no es así. Sólo los más optimistas esperan una plétora de partículas supersimétricas al alcance del LHC con colisiones a 14 TeV c.m. aunque aún no tengamos ningún indicio. Los más realistas pensamos que a lo sumo cabe esperar una o dos partículas nuevas. ¿Por qué la supersimetría tiene que resolver el problema de la jerarquía? ¿No es más razonable que resuelva el problema de la inestabilidad del vacío del campo de Higgs? En dicho caso no podemos esperar que la escala de la supersimetría sea muy inferior a diez millones de TeV, un millón de veces más energía que la que se podrá alcanzar con el LHC. Nos lo cuenta, como no, Luis Ibáñez (Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, Madrid), “The Scale of SUSY Breaking, the Higgs Mass and String Theory,” SUSY 2013, ICTP, Trieste, Aug 28, 2013 [slides pdf]. Algunas de las figuras de esta entrada están extraídas de Savas Dimopoulos (Stanford University), “States of BSM Theorists after LHC 8,” SUSY 2013, ICTP, Trieste, Aug 28, 2013 [slides pdf].

Dibujo20130830 squark-gluino-neutralino model - atlas - lhc 8 tev - cern

Buscar partículas supersimétricas en el LHC no es fácil, pero se ha dedicado tanto esfuerzo a desarrollar técnicas de análisis para lograrlo. Hoy se ha explorado un gran espacio de parámetros asociado a las masas de las posibles partículas supersimétricas y podemos afirmar sin rubor que por debajo de un TeV no hay gluinos ni squarks ni neutralinos. Por supuesto, los límites actuales para winos y higgsinos no los excluyen en esta escala, pero siempre se ha pensado que el gluino era clave en el espectro de superpartículas. Todo indica que si existe una partícula supersimétrica con masa inferior a un TeV debe estar muy escondida en el espacio paramétrico de la supersimetría (lo que no es imposible pues hay más de cien parámetros libres).

Dibujo20130830 susy breaking scale Mss GeV - ibanez  - valenzuela

La masa del bosón de Higgs tampoco ofrece esperanzas a la supersimetría. Aunque predice una masa inferior a 130 GeV, prefiere un valor más cercano a 120 GeV, con lo que un Higgs con una masa de 126 GeV está en la parte alta de las predicciones de la SUSY. Sin embargo este valor también tiene sus ventajas. Con una masa de 126 GeV para el Higgs el vacío del modelo estándar no es estable, sino metaestable, volviéndose inestable a una escala de energías alrededor de 1011 GeV. La supersimetría podría resolver este problema (y estabilizando el vacío del modelo estándar), en lugar del problema de la jerarquía. En dicho caso, la escala de energía de la rotura de la supersimetría tiene que ser de este orden y no podemos esperar partículas supersimétricas con una masa muy inferior a unos 1010 GeV (aunque tampoco las podemos descartar con seguridad, basta recordar la diferencia de masa entre los neutrinos y el quark top).

Luis Ibáñez nos recuerda que muchas compactificaciones en teoría de cuerdas predicen una escala de energía intermedia Mss para la rotura de la supersimetría, por debajo de la cual tenemos el modelo estándar y por encima un modelo supersimétrico mínimo; nos propone como ejemplo la unificación SU(5) en IIB/F-theory. En su charla no se resiste a buscar un resquicio para la SUSY en la escala TeV, pues como todo los físicos que han trabajado en teoría de cuerdas/teoría M confía en que la supersimetría sea la primera señal de esta teoría de todo.

No debemos perder la esperanza de que el LHC a 14 TeV c.m. encuentre algún indicio de la supersimetría. Pero hay que estar preparados para que no sea así, en cuyo caso habrá que confiar en otros medios para explorar la escala de energías a la que el Higgs desestabiliza el vacío pues allí se puede ocultar la supersimetría. La desintegración del protón y la física de los neutrinos son caminos prometedores para explorar el universo, aunque de forma indirecta, a dicha escala de energías, una escala millones de veces por encima de lo alcanzable en el LHC o en cualquier otro colisionador de partículas que podamos disponer durante el siglo XXI.

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23 pensamientos en “La escala de energía de la supersimetría más allá del alcance del LHC

  1. Muy interesante la charla de Luis. También la de Dimopoulos.
    Si te fijas Francis, la relación que usa el modelo que pone, así como la de compactificación y supercuerdas M_S\sim M_c^2/M_P es similar a un seesaw tipo I. Ya he posteado antes un poco de “números”. Es interesante que M_S\sim M_{R\nu}…Al menos es una coincidencia curiosa numérica, pero lo que no es coincidencia es la estructura de masas. Parece que “toda” la jerarquía de masas se genera “a la seesaw”… No sé si a Alejandro esto le gusta, le perturba o le parece “feo”, pero a mí personalmente me parece un corportamiento ciertamente “universal”. Otra cosa, por supuesto, es qué selecciona esos valores de las masas y v.e.v. Para eso, tristemente, no tenemos respuestas. Podremos posiblemente describirlo, pero no hay aún algo (más allá de argumentos antrópicos que personalmente detesto) que determine las escalas de masa de forma clara.

  2. Lo que me preocupa del see-saw es que hace tentador mirar hacia arriba, a GUT y Planck scale, en vez de jugar con los datos que tenemos.

    El punto mas raro de SUSY es que puede relacionarse empiricamente con el numero de generaciones. Esto es, que SUSY con tres generaciones parece encerrar una simetria global SU(5) flavor en el sector escalar, y que este fenomeno no ocurre con cualquier numero de generaciones y es especialmente sencillo si Ng=3.

    La simetria se ve facilmente porque es extension de la vieja SU(3) flavor que conociamos en los 60, aquella con isospin y extrañeza, y de hecho puede usar los mismos numeros, añadiendole los dos siguentes, encanto y belleza; en vez de 3×3 = 8 + 1 y los octetes de SU(3), tenemos 5×5 = 24 + 1 y ese vigesimocuartete agrupa todos los leptones escalares.

    Mi “hipotesis del superBootstrap”, que amarashiki dice que aun no comprende ;-) es que la ecuacion N^2 = 8 Ng + 1 que se ve en esa simetria hay que completarla con otra condicion N = 2 Ng – 1. Una hipotesis mas debil, pero que tambien deja Ng=3 como la solucion mas sencilla, es poner la condicion N =< 2 Ng.

    • ¿Leptones escalares? No entiendo eso tampoco tal como lo dices…¿Quieres decir a escalares que no hemos visto? ¿A qué llamas N?¿Al número de flavor? ¿Por qué añades la condición N=2N_G-1? SUSY sin SUSY y sin generar una enorme energía del vacío es “complicado”. Todavía me tendrías que convencer del agrupamiento de partículas, que sigo sin ver claro.
      Sin embargo, para mí la pista gorda de que la escala de supersimetría es alta (a pesar de que durante años se jugaba a ponerla a mano en la escala TeV) es el tema del seesaw y las masas de los neutrinos. Para mí, eso ya es más que una mera coincidencia, aunque ciertamente puede serlo, todos los modelos de fenomenología, o gran parte de ellos, acaban con una relación de escaling entre la escala de nueva física y la antigua tipo

      M_x^{\gamma}=CM_y^\alpha M_z^\beta

      y donde C es una constante que incluye acoplos (esencialmente constantes de estructura fina en unidades adecuadas). El seesaw tipo I es un caso particular de esto, pues se tiene que, módulo una constante C,

      M_\nu M_R=M_D^2

      Es algo muy curioso…

      • Lepton escalar me parece la traduccion mas adecuada de slepton, al igual que quark escalar para squark. Pero se admiten sugeriencias; desde luego sfermion queda desastroso dicho asi.

      • De lo demas: en efecto, llamo N al numero de sabores. Yo creo que esta cuestion es innegable, que los escalares del modelo estandar supersimetrico tienen simetria SU(5) de sabor cae por inspeccion. Si para los leptones no salta a la vista el 24-plete, no se yo que puedo explicar o convencer ahi. Si me aclararas donde esta la duda en ese punto, igual puedo trabajarla, o igual puedes convencerme de que no existe tal simetria global.

        En cuanto a las condiciones que pongo en lo que llamo el superbootstrap, en efecto la condicion “suave” es que el numero de sabores de esa simetria sea igual o menor que el numero de sabores que tendria el modelo estandar. Esto es, 2 veces el numero de generaciones, pues cada generacion te trae dos sabores. Esa condicion automaticamente descarta la solucion N=1 en la ecuacion N^2 = 8 Ng + 1 y por tanto el numero minimo de generaciones es tres.
        La condicion “fuerte” seria exigir que el numero de sabores que tiene la simetria de los escalares se diferencie solo en uno de los que tiene el modelo estandar, y eso automaticamente fija que el numero de generaciones es igual a tres. La filosofia de la condicion “fuerte” es que no queremos que haya generaciones completas que se queden fuera de la simetria de sabor, y eso permite pues a lo sumo uno o ningun quark. Si prefieres, la condicion fuerte de superBootstrap es N – 2 Ng =< 1.

      • Disculpa, queria decir “automaticamente descarta la solucion N=3”. Obviamente, la N=1 tambien esta descartada, con cero generaciones :-)

      • Sinceramente, tomar como modelo el MSSM me parece una aberración. Algo tan “feo” (soy subjetivo, lo admito) no puede ser escogido por la Naturaleza. Los datos de LHC, hasta ahora, no apoyan un MSSM, aunque ciertamente aún puede hacerse un “fit” al mismo, no resulta demasiado atractivo en mi opinión…

        Lo que realmente me apena, es que a nivel de “elementalidad”, la mayoría de teorías más allá del modelo estándar multiplican el número de entidades elementales, cuando, uno, a priori, pensaría que tendría que simplificarlas. Si hay algo que me gusta de teoría de supercuerdas o M-theory es la idea de que las partículas surgen de una misma estructura (la cuerda o las p-branas en general).

        Sobre lo que dices, lo entiendo un poco mejor, ahora…

      • Por cierto, que ni siquiera con supersimetria me habria convencido yo de mirar cuerdas si no fuera porque la construccion de esas representaciones de no deja de parecerse a una cuerda abierta orientada, terminando en los dos particulas de sabor. Tiene que ser orientada para tener tanto el 5×5 como el 5 x anti-5. Y ahi se queda uno chafado: la teoria de supercuerdas orientadas no existe :-(

        Algo estaran haciendo mal los de cuerdas.

    • Uff, me alegro :-) He intentado separar lo que veo, o se ve, directamente en el modelo estandar al supersimetrizar, de lo que puedo postular luego a nivel de especulacion. Una aclaracion más: eres el primero que menciona explicitamente el MSSM en este hilo. Yo desde luego no lo uso, y no estoy seguro -he mirado muy por encima la charla de Ibañez- de que todas las trasparencias que ha puesto Francis dependan del MSSM, a pesar de esos Hu y Hd.

    • amarashiki, no veo lo de que ” la mayoría de teorías más allá del modelo estándar multiplican el número de entidades elementales” y luego “Si hay algo que me gusta de teoría de supercuerdas o M-theory es la idea de que las partículas surgen de una misma estructura”. La idea es la misma para cualquier GUT, se multiplican -desgraciadamente- las entidades deducidas de la estructura principal, y se simplifica la estructura principal, que se reduce a un grupo o estructura unificada pero con unos multipletes de representacion muy grandes.

      De hecho, creo que fue un gran ejercicio lo que hicimos de contar componentes o grados de libertad del espectro conocido, porque desde luego eso pone un limite inferior a la teoria unificada: lo hagas como lo hagas, al menos tienes que producir esos ciento ventitantos estados.

      • Bueno, yo creo que eso depende de si contamos campos o multipletes como campos gigantes. Me explico. Ponte en U(1) maxwell theory. En 3 dimensiones y una de tiempo “split”, hay 6 campos, 3 eléctricos y 3 magnéticos. En un formalismo 4D, podemos decir, que quedan empaquetados en F_{\mu\nu}, el “supermultiplete” gauge que contiene a los campos eléctricos y magnéticos en forma de “matrix”. Así que creo que las cosas van por ahí, se la misma forma en que, e.g., en 11D sugra, sólo hay “3” campos: el gravitón (toma la métrica o el elfbein según te apetezca), el gravitino y la 3forma. Y de esos “campos”, y sucesivas reducciones, llegamos a la teoría estándar (no son dificultad). Lo que quería decir, es esencialmente, que aunque reducimos los campos, introducimos nuevas partículas. Es posible, si la DM y la DE son reales como parece que necesitemos algunas partículas nuevas, ¿pero cuántos campos más? ¿No deberíamos intentar algo para que los campos “pegaran” mejor?

      • De acuerdo, la plaga son las nuevas particulas. Por eso daba pavor la tranquilidad con la que los cuerdistas se subian a la para del E8xE8 o como los de GUT añadian simetrias horizontales para irse hasta SO 16 o 32 a la hora de explicar familias. Luego era todo añadir sectores ocultos y ademas asegurarse de que casi todo se quedara en la escala de GUT.

        En ese sentido, el contenido de D=11 sugra parece minimalista, y es una pena que no se haya encontrado como repartirlo a las particulas conocidas.

  3. higgsinos? eso es nuevo para mi.

    Por cierto, gracias a Francis por bajar este conocimiento a niveles que mundanos como yo podamos entender (o seguir el hilo…)

    • Gerardo, son las superpartículas asociadas al Higgs. Las partículas predichas por el modelo mínimo supersimétrico (MSSM) son las siguientes:

  4. ¡ Diez millones de TeV ! De todas formas en el SM tenemos partículas que difieren en 11 órdenes de magnitud por lo que supongo que sería posible que el supercompañero más ligero fuera del orden del TeV.
    Siendo totalmente realistas estamos en una situación absolutamente crítica: Si el LHC no encuentra nada y los experimentos de detección de MO fallan podemos asistir a algo impensable hace pocos años: la muerte de la Física de partículas y con ella la muerte de gran parte de la Física teórica. Si la nueva Física se esconde en escalas de energía inmensas jamás podremos detectarlas directamente, la única salida quizás sería intentar diseñar experimentos para tratar de inferir su existencia indirectamente a través de fenómenos que se manifiesten a baja energía. Quizás la Física podrá vivir un tiempo de nuevos fenómenos predichos por el SM y aún no vistos pero solo será temporalmente…realmente sería un panorama desolador, no me imagino a las web de Física de partículas hablando de La Campanario o de los novios de Lady GaGa.
    De todas formas tenemos que ser optimistas, no nos queda otra: Como dice Francis nunca en la historia de la humanidad ha habido tantos experimentos en curso, alguno tiene que encontrar algo, la Física llegará hasta donde pueda llegar y si algo es seguro es que aún no ha llegado hasta donde puede hacerlo.

    • ¿De nuevo pesimista Planck? Tranquilo, ya aprenderemos a construir colisionadores de muones compactos de alta energía de bolsillo baratos y con energía de ese orden :P

      Respecto a hablar de la campanario o lady gaga boyfriends y cualquier otra superficial e irrelevante información, creo que a los que nos gusta esto no va a suponer ninguna diferencia. Ya encontraríamos un sustitutivo: entropías y física de la complejidad, física de materiales exóticos y bajas temperaturas extremas, superconductividad y superfluidez, nanotecnología y picotecnología, computación cuántica, astrofísica, astronomía y búsqueda de exoplanetas e indicios de civilizaciones tecnológicas, observación de neutrinos cósmicos y neutrinos del Big Bang, observación de ondas gravitatorias y su fondo cósmico asociado,…En fin, la física es muy amplia (“amplia es Castilla”, jajajaja). Lo que no podemos hacer es desesperar…

      Para mí, la gravedad cuántica como problema fundamental o los indicios de nueva física más allá del modelo estándar son dos asuntos complicados, siempre lo han sido, por la estabilidad de los 2 modelos reinantes actuales. Hay que saber esperar, Planck. Jijijiji…

      • A los que controlan el tema… ¿Que tan lejos creen que se esta tecnicamente de escalas de energia tan altas como para ver indicios de supersimetria? Pregunto porque veo esos numeros y parece casi imposible.
        Por otro lado, como dice amarashiki, no todo en la fisica es Teoria del todo, lo interesante de la ciencia es que cada vez que se descubre algo nuevo, los problemas a resolver se multiplican.

      • Tienes razón Amarashiki me he pasado un poco, además pase lo que pase nunca hablaremos de La Campanario y sus frivolidades a no ser que comente algo sobre Física cuántica, matemáticas o cosmología cosa que dudo :D

      • Planck, lo triste es que desgraciadamente, es complicado mover la masa social crítica para que personajes ciertamente vulgares y sus programas sean la comidilla y motivación de la gente al llegar a casa. No sé…Cuando era pequeño, con sólo dos canales, recuerdo pasarme horas muertas leyendo libros o, cuando los echaban, ver los reportajes de la BBC sobre International Science (hasta hablaban de la fusión y de un montón de cosas, y ponían el famoso vídeo de las escalas del universo, etc). Realmente, reconozco que siempre he sido un frikazo y rara avis. Me pirriaba leyendo los libros de todo el curso antes que nadie, me los aprendía, y luego en clase me relajaba tranquilamente…Hacía los exámenes de matemáticas casi siempre antes que nadie, …ERan otros tiempos… El fútbol no era la mafia y negocio de hacer dinero en que se ha convertido (y que a muchos les sirve para lavar el dinero negro de otros “comercios”). Pero al menos, antes no te encontrabas cadenas de TV emitiendo tertulias con gente alterada o incitando al morbo. E intentado sin éxito que mi madre cambie de gustos. Es tarde para ella supongo. Y entiendo que lo que me gusta a mí, no ya en mi familia, en todo el vecindario es considerado algo “de locos”, pero en cambio hablar de “la vida de los demás” parece que hay que hacerlo porque lo hacen en la tele. No sé, quizás me equivoqué de país al nacer…

        Volviendo al tema del hilo… Incluso si la supersimetría está fuera del alcance del LHC, este acelerador podrá indicarnos (ya lo ha hecho con la masa del “higgs”) dónde puede hallarse la nueva física. Es una máquina de descubrimiento,… SUSY es una idea, pero no es la única a la que aferrarse…

        Lo divertido será también cómo reaccionarán los que son más hooligan de SUSY frente a posibles “null results” en LHC13 y LHC14 a alta luminosidad. Yo aún albergo esperanzas de encontrar algo sorprendente, pero simplemente, con los juegos numéricos que he hecho con cosas como la ecuación de Koide y otras de mis “ideas heurísticas”.

      • Hablando de juegos numericos… el 14, en LCH14, es la fecha o la energia de colision?

        Por cierto, yo no recuerdo cuando el futbol no era una mafia (por un lado no me interesa, y por otro ni yo ni Coleman tenemos nada en contra de la mafia y no estoy seguro de que sea una equivalencia apropiada) pero una vez en Chamartin unos ferroviarios que habian pensado mucho sobre el proceso de privatizacion de la television y los canales de pago practicamente me predijeron todo el proceso que iba a ocurrir, a partir de la lucha por los presuntos beneficios de los partidos en la “tele a la carta”.

        En cuantoa a acabar los examenes de matematicas antes que nadie, eso es sintoma de vagancia. En serio, yo empeze a interesarme por las matematicas por eso, porque eran los ejercicios que mas rapido se acababan de todas las tareas, y en los examenes lo mismo.

      • Alejandro, obviamente el 14 en LHC14 es la energía de colisión. Las primeras colisiones se esperan para principios de 2015 (la posibilidad de reiniciarlas a finales de 2014 cada día está menos clara). No se sabe si habrá colisiones a 14 TeV c.m. pues todo depende de lo bien que se realice la reparación y el upgrade; el objetivo es asegurar 13 TeV c.m., pero sabiendo lo bien que ha ido en el LHC en los últimos 3 años, mi opinión es que la reparación saldrá mejor de lo esperado y se alcanzarán de forma segura los 14 TeV c.m. (cruzo los dedos).

  5. Francis creo que deberias explicar en un post la figura que muestra Tommaso Dorigo en su último post. Está extraída de la reciente conferencia sobre SUSY en Trieste y se ve claramente como la región de exclusión del LHC “penetra” en la “abertura” del espacio de parámetros de SUSY jajaja es buenísimo, para que luego digan que la Física es aburrida jajajaja: http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/plot_week_how_susy_got_scrd_lhc-119422
    PD: Si haces un post sobre la figura ten cuidado porque a Dorigo ya le acusan de sexista jojo

  6. planck, yo también estoy sorprendido por el sesgo que el/la comentarista imprime a sus opiniones, me parece exagerado. No niego que pueda tener razón en que la oración de marras pueda tener un sesgo procaz o descocado, pero Dorigo no habla de sexo sino de física. Pero ojo, yo no me lo tomaría a risa, algunos abordan estas cuestiones muy en serio, tendemos a creer que el sentido del humor está extendido pero no es así.

    Es una pena que esa seriedad puritana no se aplique a resolver de modo pacífico y consensuado los graves conflictos políticos y económicos que aquejan al mundo, por ejemplo el ataque a Siria que de momento depende de un complejo e incierto acuerdo entre el Congreso estadounidense y el presidente Obama. Son serios para atacar y castigar pero no lo son para venderles armamento químico y/o la tecnología para fabricarlo. Y me da igual que el armamento químico lo hayan ofrecido los rusos, los chinos, los americanos y los europeos por separado o todos ellos a la vez (sin gracia y con irresponsabilidad), pienso que los sirios ya tienen bastante para encima castigarlos con severidad, ¿no hay otras alternativas para resolver el conflicto?

    http://elpais.com/elpais/2013/08/30/opinion/1377872358_658609.html

    http://internacional.elpais.com/internacional/2013/09/01/actualidad/1378043426_421554.html

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