La estabilidad del vacío del modelo estándar

Dibujo20130910 SM phase diagram in terms of Higgs and top pole masses

La masa del bosón de Higgs y del quark top (cima) apuntan a que el vacío del modelo estándar es metaestable, aunque no estamos del todo seguros porque está en el borde entre estable y metaestable. Además, los errores son muy grandes, tanto los experimentales, sobre todo en la masa del quark top, como los teóricos, hay que extrapolar los cálculos hasta la escala de Planck y las correcciones de mayor orden podrían ser importantes. Quizás sea por puro azar, o quizás haya algo profundo oculto, pero las masas del Higgs y del quark top parecen ajustadas en un punto crítico doble en relación a la estabilidad del vacío. Nos lo contó Pier Paolo Giardino (Univ. Pisa / INFN Pisa), “Is that a Standard Higgs? And now?,” CP³ Origins, slides pdf / video flash. Su artículo técnico es Dario Buttazzo, Giuseppe Degrassi, Pier Paolo Giardino, Gian F. Giudice, Filippo Sala, Alberto Salvio, Alessandro Strumia, “Investigating the near-criticality of the Higgs boson,” arXiv:1307.3536 [hep-ph].

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Qué significa nueva física más allá del modelo estándar

Dibujo20130825 Standard Model 4 generations - emmynoethercms uni-hamburg de

El modelo estándar (SM) nació en 1973 con dos generaciones de fermiones (SM2), la segunda aún incompleta (el quark charm se descubrió en 1974). La tercera generación de partículas (SM3) fue física más allá del modelo estándar, en su momento (el quark botttom y el leptón tau se descubrieron en 1977, el quark top en 1995 y el neutrino tau en 2000), pero hoy en día se asume que el modelo estándar tiene tres generaciones. ¿Será nueva física más allá del modelo estándar el descubrimiento de una cuarta generación de fermiones? En mi opinión, el modelo SM4 será llamado así durante pocos años y acabará volviendo a ser llamado SM, a secas.

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El primer descubrimiento del LHC del CERN podría ser un bosón Z’ de 700 GeV según datos recientes del Tevatrón

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Un bosón Z’ con una masa de unos 700 GeV debería ofrecer eventos electrón-positón en el Tevatrón con una probabilidad de 0,1 según el Modelo Estándar, sin embargo, combinando datos de CDF y DZERO se han observado 3 eventos de este tipo. Sólo son 3, pero son 30 veces más de los esperados. Obviamente, no es suficiente para proclamar un nuevo descubrimiento, pero sí para tener cierta esperanza. Si de verdad existe este bosón Z’, lo mejor de todo es que en el LHC, tanto los detectores CMS como ATLAS, lo detectarán casi inmediatamente (a los pocas semanas de obtener datos). En dicho caso, como viene siendo habitual, los bosones se seguirán descubriendo en Europa. Por supuesto, esto es pura especulación y los resultados del Tevatrón podrían ser solo una fluctuación aleatoria del background (fondo de partículas). Nos lo cuenta magistralmente, como no, el maestro Tommaso Dorigo, “A New Z’ Boson at 240 GeV ? No, Wait, at 720!?,” A quantum diaries survivor, August 3rd 2009. Tommaso, siempre con los pies en la tierra, quizás porque es físico de partículas experimental que trabaja a ambos lados del Atlántico, en el CDF del Fermilab y en el CMS del CERN, considera esta posibilidad como remota, pero en su interior se alegraría muchísimo de que acabara siendo verdad.

La evidencia encontrada es solo de 3 desviaciones típicas, cuando se requieren al menos 5 para poder proclamar un descubrimiento. Ya se han dado múltiples casos en los que una evidencia de este tipo ha acabado en el cubo de la basura y ha acabado resultando una mala pasada, una fluctuación aleatoria, de los datos.

La evidencia encontrada de una partícula que se desintegra en un par electrón-positón (que los físicos de partículas llaman un dielectrón) lleva directamente más allá del Modelo Estándar, ya que el único candidato razonable para tal desintegración es un bosón vectorial similar al bosón Z de la interacción electrodébil, pero de mayor masa. Hay varias teorías que nos indican que tal bosón vectorial debe existir.

Sin entrar en más detalles técnicos, los interesados pueden recurrir a la publicación original del CDF del año pasado The CDF Collaboration, “High-Mass Dielectron Resonance Search in p¯p Collisions at ps =1.96 TeV,” CDF, Fermilab, March 6, 2008, y al nuevo artículo con los resultados de DZERO “Search for high-mass narrow resonances in the di-electron channel at D0. Luminosity: 3600 pb-1,” Conference Note 5923-CONF, 06/04/09. El artículo de Tommaso en su blog combina ambos resultados de su propia mano, obteniendo una figura “no oficial” de la que extrae sus conclusiones, como explica claramente en “A New Z’ Boson at 240 GeV ? No, Wait, at 720!?,” A quantum diaries survivor, August 3rd 2009.

El bosón de Higgs y el destino final del Modelo Estándar de la física de partículas

Dibujo20090804_Dependence_Higgs_Mass_H_on_Confidence_Level_(left)_Without_(right)_with_direct_searches_at_LEP_Tevatron

Masa del bosón de Higgs en función del ajuste al Modelo Estándar de los parámetros experimentales más precisos del LEP y el Tevatrón, incluyendo (izquierda) y excluyendo (derecha) las búsquedas directas del bosón de Higgs.

Cuenta Caín que mató a Abel por accidente. Cantan que el vídeo mató a la estrella de la radio. Tommaso Dorigo nos cuenta que el Modelo Estándar podría morir en manos de su más amado hijo, el bosón de Higgs, haciéndose eco de un artículo técnico de John Ellis et al. (al que recordaréis en su despacho en el CERN rodeado de papeles junto a Eduard Punset en Redes) que trata de “leer el futuro” del Modelo Estándar en las manos de los posibles modelos teóricos para el bosón de Higgs. El asunto es muy discutible. ¿Mató la teoría de la relatividad a la mecánica de Newton? ¿Mató la mecánica cuántica a la mecánica clásica? Pocos creen que el Modelo Estándar en su versión actual se mantenga válido hasta escalas de energía tan altas como las de Planck. La naturaleza nos ofrece sorpresas, nos ha ofrecido sorpresas en el pasado (como la masa no nula de los neutrinos) y nos seguirá ofreciendo sorpresas en el futuro (¿existirá un bosón de Higgs con una masa alcanzable para los ojos del LHC del CERN?).

Sólo la naturaleza tiene la respuesta. Todos podemos jugar a ser Rappel, nos llamemos John Ellis, Tommaso Dorigo o la Mula Francis, … En cualquier caso os recomiendo encarecidamente la lectura de la entrada de Tommaso “Will the Standard Model Die by The Hands of its Dearest Child?,” A Quantum Diaries Survivor, July 23rd 2009.  Si eres físico, también disfrutarás del artículo de J. Ellis, J.R. Espinosa, G.F. Giudice, A. Hoecker, A. Riotto, “The Probable Fate of the Standard Model,” ArXiv, Last revised 22 Jul 2009. También es interesante leer “Who fears a non-perturbative Higgs field?,” The Gauge Connection, July 28th, 2009, y su secuela “The right mathematical question,” August 1st, 2009, todos sobre el mismo tema.

Ellis et al. han considerado cinco posibles escenarios para el futuro del Modelo Estándar en función del comportamiento del potencial del campo del bosón de Higgs. A baja energía, las partículas que observamos corresponden al resultado de un proceso de ruptura de la simetría, similar a la congelación del agua, que rompe la isotropía (simetría O(3)) alrededor de una molécula de agua generando una simetría tetraédrica en la red cristalina del hielo. Los bosones vectoriales W y Z tienen masa gracias a una ruptura de simetría similar mediada (creemos) por el bosón de Higgs. El resultado es que el vacío a baja energía en el Modelo Estándar no corresponde con el vacío a alta energía (más allá de la escala de energías de la ruptura de la simetría electrodébil, que depende de la masa del bosón de Higgs, en la que los “equivalentes” a los bosones W y Z no tienen masa, como el fotón). La escala de energía para esta ruptura de la simetría podría llegar hasta la escala de energías de Planck (2 x 1018 GeV). Si el bosón de Higgs existe, esta escala de energía es como una barrera de potencial para el “vacío” del Modelo Estándar (que no está vacío sino que contiene las partículas que observamos a baja energía). Este “vacío” podría ser (absolutamente) estable o metaestable, tener cierto grado de estabilidad (no puede ser inestable porque sabemos que a baja energía es la descripción correcta de la realidad). La metaestabilidad del “vacío” implicaría la existencia de otro “vacío” a mayor energía y que se pueda producir un salto de un vacío a otro por efecto túnel, algo que puede verse como una partícula cuántica encerrada en una barrera de potencial, que puede sobrevivir siempre en ella o tener cierta vida media en su interior, en cuyo caso tras cierto tiempo acabará saltando a través de la barrera por efecto túnel.

Los cinco posibles escenarios estudiados por Ellis et al. dependen de la estabilidad de este “vacío” del Modelo Estándar ante un posible efecto túnel más allá de la escala de la ruptura electrodébil. La figura de abajo resume los resultados obtenidos por estos físicos teóricos. El primer escenario, curva roja y sombreado en rosa, corresponde a que la vida media del “vacío” sea mayor que la edad actual del universo (collapse region). El segundo escenario, curva azul y sombreado a circulitos celestes, corresponde a que la vida media sea razonablemente alta y estable ante perturbaciones (térmicas) de energía arbitraria (Zero-T metastability). El tercer escenario, curva verde oscuro y sombreado a rayas verdes, corresponde a que la vida media sea alta pero estable sólo a perturbaciones térmicas con una energía menor que la escala de Planck (Finite-T metastability). El cuarto escenario, curva verde sombreada del mismo color, corresponde a que el vacío electrodébil del Modelo Estándar sea estable a todas las energías desde el punto de vista de la teoría de perturbaciones (Stability). El quinto escenario, curva negra y sombreado gris, corresponde a un vacío estable desde el punto de vista no perturbativo (Non-perturbativity). Por cierto, este último escenario es el menos entendido del modelo estándar. Finalmente, la curva azul de trazo grueso presenta el valor calculado a partir de los datos experimentales más recientes para la probabilidad de que un bosón de Higgs tenga la masa  indicada.

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¿Cómo se interpreta esta compleja figura? Por un lado, la curva azul gruesa indica que hasta 3 desviaciones típicas, el bosón de Higgs tiene una masa en alguno de los intervalos [114,153] GeV o [180,224] GeV. El Modelo Estándar puede seguir siendo válido hasta una energía a la escala de Planck si el bosón de Higgs tiene una masa en el intervalo [114,124] GeV o por encima de 172 GeV (zonas sombreadas con rosa, azul claro y gris). La curva azul gruesa favorece el primer caso, con lo que se puede afirmar con un intervalo de confianza de un 99.1% que el Modelo Estándar pervivirá hasta la escala de Planck. Ellis et al. además afirman que si el bosón de Higgs no es encontrado en el primer año de búsqueda en el LHC (experimento ATLAS y a energía máxima, 14 TeV) automáticamente se puede excluir un bosón de Higgs con una masa inferior a 127 GeV con una confianza del 95%.

¿Qué pasa si se descubre un bosón de Higgs de masa cercana al límite del LEP? Según Ellis et al., si se descubre un bosón de Higgs en el LHC o el Tevatrón con una masa de 120 (115) GeV, el potencial efectivo del Modelo Estándar desarrollará un nuevo “vacío” a una energía menor de 1010.4 (108.0) GeV (muy por debajo de la escala de Planck), con lo que el Modelo Estándar tendrá que ser significativamente alterado a dichas energías.

En resumen, un análisis teórico de los datos experimentales más recientes que no permite afirmar si el Modelo Estándar sobrevivirá hasta la escala de Planck o no, pero, como afirma Tommaso, nos da una bocanada de aire fresco y nos recuerda que quizás el descubrimiento del bosón de Higgs además de ratificar el Modelo Estándar, nos dejará claro que es una teoría aproximada (como todo el mundo cree) que habrá de ser substituida por una teoría más fundamental.

¿Se puede predecir la masa de las partículas elementales? (o un poco más de Numerología, por favor)

El Modelo Estándar de las Partículas Elementales no explica ni la masa, ni la carga, ni la espín, de las partículas elementales conocidas, sino que impone dichos valores a partir de la evidencia experimental. En palabras de Feynman (traducidas) “Aún queda por resolver una característica muy poco satisfactoria (del Modelo Estándar): las masas de las partículas elementales observadas. No se conoce teoría que explique estos números. Los usamos en todos nuestros cálculos, pero no los entendemos (¿por qué tienen los valores que tienen? ¿de dónde vienen estos números?). En mi opinión (la de Feynman) este es uno de los problemas, desde el punto de vista fundamental (teórico), más serios e interesantes.”

La figura de arriba, extraída de un artículo de E.L. Koschmieder, “Theory of the Elementary Particles,” ArXiv Preprint, 2008, que propone una “explicación”, nos indica que la masa de los mesones (partículas formadas por un quark y un anti-quark) estables siguen un comportamiento lineal en función de la masa del mesón estable más ligero (el pión, partícula predicha por Yukawa). Esto ya se sabía de hace años… pero no había una explicación dentro del Modelo Estándar. Koschmieder trata de explicarla de forma no ortodoxa (numerológica) aludiendo a que refleja una teoría subyacente todavía desconocida. Este tipo de trabajos “numerológicos”, normalmente tienen una capacidad predictiva “cuantitativa” muy limitada (dan aproximaciones burdas). Por ejemplo, en la “teoría” de Koschmieder la masa del neutrino electrónico (el más ligero de los 3 neutrinos conocidos) es igual a la masa del neutrino muónico (el segundo por masa) multiplicada por la constante de estructura fina (que indica la “fuerza” de la fuerza electromagnética entre partículas elementales). Como nadie conoce la masa de los neutrinos (se sabe que no es nula, pero no su valor, sólo la diferencia entre masas de los neutrinos se puede estimar teórica y experimentalmente sin una medida directa)… lo dicho, … como nadie la conoce, pues, por ahora, cualquier valor es “bueno”.

La numerología es una de las “ramas” de la Física más denostada y criticada por todos los “científicos de pro”. Aunque hay grandes físicos que han sido grandes defensores de la misma, como el propio P.A.M. Dirac o A.S. Eddington, la opinión estándar es relacionarla con el principio antrópico (defendido por “famosos” de la talla de S.W. Hawking) y concluir que de sus conclusiones aproximadas no se obtiene ciencia “verdadera”. De todas formas, recordad la importancia que tuvo darse cuenta de que el protón y el neutrón (aparentemente tan distintos) eran la “misma” cosa (hoy en día, le llamamos nucleón), que introdujo el espín isotópico y con él gran parte de la moderna teoría cuántica de campos aplicada a partículas elementales (sustento del Modelo Estándar).

 En esta línea, acaba de aparecer el artículo de T. A. Mir, G. N. Shah, “Order in the mass spectrum of elementary particles,” ArXiv preprint, que propone explicar la figura de arriba usando como parámetro la diferencia de masa entre el pión (hadrón tipo mesón) y el muón (leptón, tipo de electrón de mayor masa). Este nuevo artículo alude a que dicha diferencia (29.318 MeV) es una “unidad fundamental” de masa. De curiosidades “numerológicas”, la vida está llena.

La numerología siempre me recuerda a la famosa “estética” de la proporción del número phi o número dorado o número mágico o  phi = (1+raizcuadrada(5))/2 y a la aparición de los números de Fibonacci en biología. Cuando lees ciertas páginas web y artículos de divulgación parece que es completamente “verdad” que estos números aparecen por doquier (verdad numerológica). ¿Realmente aparecen los números de Fibonacci en la distribución de pétalos en las flores? Dedicaremos uan futura entrada de este blog a este “peliagudo” tema. Sólo quiero adelantar, que científicamente no es así. Hay flores de ciertas especies de plantas que sí siguen una distribución de este tipo, pero la gran mayoría no. Estadísticamente, es mera casualidad. Pero y lo que bonito que queda deshojar (“despetalear”) una margarita (que sí, que no, que sí, que no, …) si uno no sabe cuántos pétalos tiene. De la especia más común en España, hay flores con n (no digo cuántos ni si es par o impar) pétalos, pero que excepcionalmente también presentan n+1 o n-1 pétalos (con menor probabilidad pero nada despreciable). ¿Tienes alguna margarita a mano?

Para saber más (todo un clásico): G. J. Mitchison, “Phyllotaxis and the Fibonacci Series,” Science, 196: 270-275, 15 April 1977. Y un libro curioso, Mario Livio, “The Golden Ratio. The Story of Phi, the World’s Most Astonishing Number,Broadway Books, New York, 2002, que está traducido al español “La proporción aúrea,” 3ra. ed., Ariel, 2006.

¿Por qué hay más materia que antimateria en el universo? (o ¿por qué el Modelo Estándar no lo explica?)

La noticia en Menéame “¿Por qué hay más materia que antimateria en el Universo?” (más de 180 meneos y más de 2 semanas tarde), que en realidad es exactamente la misma noticia que “Nuevo giro en el misterio de la antimateria” (pocos meneos y en su momento más inmediata), pero con un título y un texto “ligeramente” distinto (tratan de lo mismo, un artículo publicado en Nature por el grupo Belle sobre mesones B, uno de los experimentos en el acelerador de partículas KEK japonés, toda una fábrica de mesones tipo B, hay otra en EEUU); la noticia ya ha sido comentada en un blog castellano aquí. Estos “meneos” me han recordado la importancia del “titular” de una noticia. Así que les robo el mismo. Además, he visto una gran discusión de los lectores sobre el tema… que parece que no queda claro en ninguna de las dos noticias. Ya se sabía la respuesta a la pregunta. ¿Se tiene o no se tiene explicación para la asimetría materia-antimateria?

 

La figura ilustra los cuatros procesos más importantes para el decaimiento de mesones B en kaones (mesones K) y piones (mesones pi) y que los “B-esones” son inestables y sólo existen a alta energía. El mesón B positivo está formado por un antiquark b y un quark u (los mesones son siempre pares quark-antiquark) y el mesón B neutro por un antiquark b y un quark d. Estos mesones decaen en piones (pi neutro, anti-u y u, pi negativo, anti-u y d) y mesones K (u y anti-s) o mesones pi positivos (u y anti-d). El diagrama de Feynman de la figura (a) lo ilustra “claramente”, donde W es un bosón vectorial, que acarrea fuerza débil. Los demás diagramas son similares. La figura (b) es un diagrama de tipo pingüino, no entraré en sus detalles  (g es un gluón, partícula portada de la fuerza fuerte), como (c) donde Z es un bosón vectorial neutro que acarrea fuerza débil. Tanto (a) como (b) se explican “fácilmente” en el modelo estándar. Sin embargo, la observación de las interacciones mostradas en los diagramas (c) y (d) es más complicada y requiere una “adición” al Modelo Estándar, nueva física, una mayor violación CP de la que se incluía previamente.

Evidencia de nueva física, pero ¿cómo implementar esa violación reforzada de la simetría CP? Ahora es el turno de los teóricos que deberán buscar la mínima adición posible al Modelo Estándar que explique estos nuevos descubrimientos experimentales. Mientras tanto, los experimentales seguirán trabjando.

La moraleja es sencilla, por “muy bello” que sea el Modelo Estándar (en mi opinión ya no lo es) y por mucha imaginación que tengan los físicos teóricos, sin experimento no puede avanzar nuestra comprensión de la realidad. Bienvenido sea el LHC. ¡¡ Ahhh !! Gracias CERN, por la Internet.

Cuá, cuá, cuá, …, para quienes prefieren pensar o soñar a trabajar o estudiar (o Siegel’s “are you a quack?”)

Antes de nada, para los que no seáis físicos, os recomiendo “La Aventura de las Partículas“. Está pensada para “todos los públicos”.

Warren Siegel es de esos físicos teóricos “modernos” que aúnan un “espíritu divertido”, un “profesor de cojones” y un “reputado investigador” en esos temas tan ¿alejados? de la realidad cotidiana como la Física de Cuerdas, Supersimetría, Supergravedad, y demás variantes de las Teorías Cuánticas de Campos. Para los interesados, hoy, su índice-h es de 42 según el ISI Web of Science y sus 5 papers más citados tienen más de 250 citas. 

Os recomiendo encarecidamente (si no las conocéis ya, que hay mucho friki suelto por el mundo bloguero) sus Parodias de Física (son divertidísimas). Es una página ideal para “gastar” el tiempo que podáis dedicarle y pide ser visitada en más de una ocasión (sobre todo si vuestras teorías están ligeramente estancadas y necesitáis un poco de asueto).

Permitidme que extraiga (y traduzca) algunas frases/comentarios de “Are you a quack?

“Estos comentarios están dedicados a la gente que entra en mi despacho, o me envía un e-mail, o incluso me envía por correo sus libros, tratando de contarme SU NUEVA TEORÍA, que “saben” que revolucionará toda la física, incluso reonociendo que ellos no han estudiado nada más que una fracción ridícula de ésta. Algunos son sólo ignorantes o inocentes, pero están dispuestos a aprender; estos comentarios no son sobre y para ellos. Es fácil distinguir a los “cuá, cuá”: aunque parecen razonables al principio, acaban degenerando en una conversación progresivamente absurda, “un sinsentido”. “Se convierten en ladrones de mi tiempo”.

Los “cuá, cuá” sólo quieren hablar, no escuchar. Están paranóicos con deririos de grandeza: Su teoría no puede estar equivocada; por lo tanto, los demás lo están. Generalmente sus argumentos son de tres tipos: ataques a teorías establecidas con el argumento de “que no les gustan”, descubrimientos de teorías unificadas, y ataques personales (“porque no les hago caso”).

Entre los ataques a teorías establecidas destaca sin lugar a dudas “He demostrado que la teoría de la relatividad especial y/o la mecánica cuántica no relativista es incorrecta”. ¿Has encontrado resultados experimentales que la contradicen? No lo creo. ¿Has demostrado que es auto-contradictoria? No es posible, matemáticamente son tan “simples” que su consistencia interna es fácil de comprobar. ¿Has demostrado que 2+2=5? (En su caso dame un billete de 5€ que yo te daré 2 de 2€). Si crees haber encontrado una inconsistencia, posiblemente es debido a que has utilizado hipótesis que no son válidas en el marco de la teoría. Estas teorías están demostrando su validez de forma experimental prácticamente todos los días por múltiples físicos distribuidos por todo el mundo.

Entre los que afirman “He descubierto una nueva teoría unificada (de todo)” abundan los que afirman “Mi teoría es más bella que el Modelo Estándar”, en ese caso, “véndesela” a un marchante de arte; “Mi teoría es filosóficamente mejor”, pues cuéntala en una iglesia; “Sé que mi teoría es correcta, para qué voy a molestarme en estudiar Física”, pero, las nuevas teorías en Ciencia nunca reemplazan a las anteriores, donde estas funcionan, por lo que es necesario conocerlas para dominar sus limitaciones, además, la nueva teoría, si funciona mejor, debe predecir todo lo predicho por las anteriores, con lo hay que conocerlas en detalle para poder verificar este punto.

Entre los “Ataques personales porque no les hago caso”: “Lo mismo le pasó a Galileo”, lo siento, pero no eres Galileo, eres un “cuá, cuá”; “La ciencia establecida siempre está en contra de las NUEVAS ideas”, 2+2=5 no es nuevo, es sencillamente falso; “Yo sabía lo que me ibas a decir”, entonces, para qué me haces perder el tiempo; “Lo sabía, buscaré a un científico de verdad”, pues, suerte, que la “fuerza” te acompañe.”