Confiamos en SUSY: Lo que realmente busca el LHC

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Decaimiento de partícula Higgs

Entre todas las inauguraciones fallidas, hubo una especialmente espectacular. Entre gran pompa y ceremonia – por no hablar de los oscuros rumores sobre que el final del mundo se acercaba – el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el colisionador de partículas más potente del mundo, se conectaba en septiembre del año pasado. Nueve días más tarde un cortocircuito y una catastrófica filtración de helio líquido apagaban ignominiosamente la máquina.

Ahora la toma dos. Algún día futuro, si todo va según el plan, los rayos de protones empezarán a recorrer el anillo en las profundidades bajo el CERN, el hogar del LHC en las afueras de Ginebra en Suiza.

El Premio Nobel Steven Weinberg está preocupado. No es que piense que el LHC creará un agujero negro que se tragará el planeta, o que el reinicio terminará en una debacle técnica como el año pasado. No: en realidad está preocupado por que el LHC encuentre lo que algunos llaman la “partícula de Dios”, el popular y vergonzosamente grandioso apodo para el aún no detectado bosón de Higgs.

“Estoy aterrado”, dice. “Descubrir el Higgs sería una crisis”.

¿Por qué? Las pruebas para el Higgs serían la última piedra de un edificio que los físicos de partículas han estado construyendo desde hace medio siglo – la fenomenalmente exitosa teoría conocida simplemente como el Modelo Estándar. Describe todas las partículas conocidas, así como tres de las cuatro fuerzas que actúan sobre ellas: el electromagnetismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte.

También está manifiestamente incompleta. Sabemos a partir de lo que la teoría no explica que debe ser parte de algo mucho más grande. Por lo que si el LHC encuentra el Higgs y nada más que el Higgs, el Modelo Estándar estará arreglado. Pero entonces la física de partículas estará en un callejón sin salida, sin pistas sobre dónde ir luego.

De ahí los temores de Weinberg. No obstante, si los teóricos están en lo cierto, antes de encontrar el Higgs, el LHC verá el primer esbozo de algo mucho mayor: la gran y predominante teoría conocida como supresimetría. SUSY, como se la conoce cariñosamente, es una osada teoría que dupica el número de partículas necesarias para explicar el mundo. Y podría ser justo lo que los físicos de partículas necesitan para indicarles el camino a una nueva luz.

Pero, ¿qué hay mal en el modelo estándar? Primero de todo, hay algunos pecados obvios por omisión. No se dice nada en absoluto de la cuarta fuerza fundamental de la naturaleza, la gravedad, y también guarda silencio sobre la naturaleza de la materia oscura. La materia oscura no es un asunto trivial: si nuestra interpretación de ciertas observaciones astronómicas es correcta, este material supera en peso a la materia convencional del cosmos en más de 4 a 1.

Irónicamente, no obstante, el verdadero problema empieza con el Higgs. El Higgs viene a resolver un problema realmente masivo: el hecho de que los bloques básicos que forman la materia común (cosas tales como electrones y quarks, colectivamente conocidos como fermiones) y las partículas que portan fuerzas (colectivamente conocidos como bosones) tienen todas una propiedad que llamamos masa. Las teorías no podían encontrar un patrón para la masa de las partículas y no podían predecirlas; tenían que medirse en experimentos y ser añadidas a la teoría manualmente.

Estos “parámetros libres” eran vergonzosos cabos sueltos en las teorías que se tejían entre sí para finalmente formar lo que se convirtió en el Modelo Estándar. En 1964, Peter Higgs de la Universidad de Edimburgo en el Reino Unido, y François Englert y Robert Brout de la Universidad Libre de Bruselas (ULB) en Bélgica llegaron independientemente a una forma de vincularlas.

Este mecanismo se vio como un campo cuántico que impregna todo el cosmos. Posteriomente llamado campo de Higgs, confiere masa a todas las partículas. La masa que adquiere una partícula elemental como un electrón o un quark depende de la fuerza de su interacción con el campo de Higgs, cuyos “cuantos” son bosones de Higgs.

Campos como éste son clave para la comprensión de Modelo Estándar dado que describen cómo las fuerzas nucleares débil y fuerte y electromagnética actúan sobre las partículas a través del intercambio de varios bosones – las partículas W y Z, gluones y fotones. Pero la teoría de Higgs, aunque elegante, llevaba un aguijón en su cola: ¿cuál es la masa del propio Higgs? Debería consistir en una masa central más la contribución de sus interacciones con otras partículas elementales. Cuando haces la suma de esas contribuciones, la masa del Higgs aumenta sin control.

Las pistas experimentales ya nos han sugerido que la masa del Higgs debe estar en algún punto entre 114 y 180 gigaelectrón-voltios – entre 120 y 190 veces la masa de un protón o un neutrón, y fácilmente el tipo de energía que puede alcanzar el LHC. La teoría, no obstante, llega a valores 17 o 18 órdenes de magnitud mayores – una catastrófica discrepancia conocida como “el problema jerárquico”. La única forma de hacer que encaje en el Modelo Estándar es ajustar ciertos parámetros con una precisión de 1 parte en 1034, algo que los físicos encuentra poco natural y repugnante.

Tres en uno

El problema jerárquico no es el único defecto en el Modelo Estándar. Hay otro problema sobre cómo reunir todas las fuerzas. En el universo actual, las tres fuerzas tratadas por el Modelo Estándar tienen muy distintos alcances y fuerzas. A nivel subatómico, la fuerza fuerte es la más poderosa, la débil es la más débil y la fuerza electromagnética está entre ambas.

Tres fuerzas en una

Hacia el final de la década de 1960,no obstante, Weinberg, entonces en la Universidad de Harvard, demostró junto a Abdus Salam y Sheldon Glashow que esto no había sido siempre así. En el tipo de energías predominantes en el joven universo, las fuerzas débil y electromagnética tenían la misma fuerza; de hecho, se unificaban. La expectativa era que si se extrapolaba lo suficientemente atrás hacia el Big Bang, la fuerza fuerte también sucumbiría, y se unificaría con la electromagnética y la débil en una única súper-fuerza.

En 1974 Weinberg y sus colegas Helen Quinn y Howard Georgi demostraron que el Modelo Estándar podía realmente hacer que sucediera – pero sólo aproximadamente. Al principio se vio como un gran éxito, pero esta reunificación no tan exacta empezó pronto a crear fallos en los físicos que trabajaban en las “grandes teorías unificadas” de las interacciones de la naturaleza.

Alrededor de esta época es cuando hace su aparición la supersimetría, debutando en el trabajo de los físicos soviéticos Yuri Golfand y Evgeny Likhtman que nunca tuvo repercusión en occidente. Se debió a Julius Wess de la Universidad de Karlsruhe en Alemania y Bruno Zumino de la Universidad de California en Berkeley, el llevar sus radicales prescripciones a un público más amplio unos años después.

Wess y Zumino estaban tratando de aplicar el principio simplificador favorito de la física, la simetría, al zoo de partículas subatómicas. Su objetivo era demostrar que la división del dominio de partículas en fermiones y bosones es el resultado de una pérdida de simetría que había en los inicios del universo.

Zoo de partículas

De acuerdo con la supersimetría, cada fermión está emparejado con un bosón supersimétrico más masivo, y cada bosón con un súper-hermano fermiónico. Por ejemplo, el electrón tiene el selectrón (un bosón) como su compañero supersimétrico, con el fotón emparejado con el fotino (un fermión). En esencia, las partículas que conocemos son meramente son los renacuajos de una camada el doble de grande.

La clave para la teoría es que en la sopa de alta energía de los inicios del universo, las partículas y sus supercompañeros eran indinstinguibles. Cada par coexistía como entidades individuales sin masa. Conforme el universo se expandía y enfriaba, no obstante, esta supersimetría se rompió. Compañeros y supercompañeros tomaron caminos distintos, convirtiéndose en partículas individuales con masas distintas entre sí.

La supersimetría era una idea llamativa, pero también una aparentemente poco recomendable aparte de su atractivo para los fetichistas de la simetría. Hasta que, aquí aparece, se aplica al problema de jerarquía. Resultó que la supersimetría podía solventar todas esas molestas contribuciones procedentes de las interacciones del Higgs con partículas elementales, las que provocan que la masa se descontrole. Simplemente se cancelan por las contribuciones de sus compañeros supersimétricos. “La supersimetría hace que la cancelación sea muy natural”, dice Nathan Seiberg de la Universidad de Princeton.

Eso no era todo. En 1981 Georgi, junto con Savas Dimopoulos de la Universidad de Stanford, rehizo los cálculos de reunificación de fuerzas que había realizado con Weinberg y Quinn, pero con la supersimetría añadida a la mezcla. Encontró que las curvas que representaban la fuerza de las tres fuerzas podía unirse con asombrosa precisión en los inicios del universo. “Si tienes dos curvas, no es sorprendente que se corten en algún punto”, dice Weinberg. “Pero si tienes tres curvan que se cortan en el mismo punto, entonces no es tan trivial”.

Este segundo golpe a favor de la supersimetría fue suficiente para convertir a muchos físicos en verdaderos creyentes. Pero fue cuando empezaron a estudiar algunas de las cuestiones generadas por la nueva teoría cuando las cosas se pusieron realmente interesantes.

Una apremiante cuestión concernía al paradero actual de las partículas supersimétricas. Electrones, fotones y todo lo demás están a nuestro alrededor, pero no hay señal de selectrones y fotinos, ni en la naturaleza ni en ningún experimento de acelerador de alta energía hasta el momento. De existir tales partículas, deben ser extremadamente masivas, requiriendo enormes cantidades de energía para fabricarlas.

Unas partículas tan grandes no durarían mucho dado que decaerían en un residuos de partículas supersimétricas más ligeras y estables, conocidos como neutralinos. Aún masivos, los neutralinos no tienen carga eléctrica e interactúan con la materia normal de forma extremadamente más timorata por medio de la fuerza nuclear débil. No es sorprendente que haya escapado a la detección hasta el momento.

Cuando los físicos calcularon cuánto residuo de neutralino debería haber, quedaron desconcertados. Era una cantidad descomunal – mucha más que toda la materia normal del universo.

¿Empieza a sonarte familiar? Sí, así es: parecía que los neutralinos cumplían todos los requisitos para la materia oscura que las observaciones astronómicas nos persuadían de que debe dominar el cosmos. Un tercer golpe para la supersimetría.

Cada una de las tres cuestiones que la supersimetría se propone resolver – el problema jerárquico, el problema de la reunificación y el problema de la materia oscura – podría tener su propia respuesta única. Pero los físicos siempre se inclinan más a favor de las teorías de propósito general si pueden encontrar una. “Es verdaderamente reafirmante que haya una idea que resuelva estas tres cosas lógicamente independientes”, dice Seiberg.

El ámbito de la supersimetría no acaba aquí. Como Seiberg y su colega de Princeton Edward Witten han demostrado, la teoría también puede explicar por qué los quarks nunca se han visto de forma aislada, sino siempre en grupos unidos por la fuerza fuerte en partículas mayores como protones y neutrones. En el modelo estándar no existe ninguna indicación matemática de por qué debería ser esto así; con supersimetría, eso se desprende de forma natural de las ecuaciones. De forma similar, las matemáticas derivadas de la supersimetría pueden decirnos de cuántas formas puedes plegar una superficie de cuatro dimensiones, un problema de otra forma intratable en topología.

Todo esto parece indicar una verdad fundamental encerrada dentro de la teoría. “Cuando algo tiene aplicaciones más allá de aquello para lo que ha sido diseñado, entonces dices, ‘bueno, esto va más al fondo'”, dice Seiberg. “La belleza de la supersimetría en realmente abrumadora”.

Por desgracia, la belleza matemática no es una promesa suficiente por sí misma. También necesitas pruebas experimentales. “Es vergonzoso”, dice Michael Dine de la Universidad de California en Santa Cruz. “Hay un montón de papel gastado en algo que se sostiene en estos hilos”.

Podrían encontrarse pruebas circunstanciales de supersimetría en distintos experimentos diseñados para encontrar y caracterizar la materia oscura en rayos cósmicos que pasan a través de la Tierra. Estos incluyen al experimento de Búsqueda Criogénica de Materia Oscura dentro de la Mina Soudan en el norte de Minnesota y el experimento Xenon bajo la montaña Gran Sasso en Italia central. Sondas espaciales como el satélite Fermi de la NASA también escrutan la Vía Láctea buscando las señales que se espera que se produzcan cuando dos neutralinos se encuentran y aniquilan.

La mejor prueba vendría, no obstante, si pudiésemos producir neutralinos directamente a través de colisiones en un acelerador. El problema es que no estamos completamente seguros de cómo de potente debería ser ese acelerador. La masa de los supercompañeros depende con precisión de cuándo se rompió la supersimetría cuando se enfrió el universo y las partículas estándar se separaron de sus supercompañeras. Distintas versiones de la teoría no han logrado una sincronización consistente. Algunas variantes incluso sugieren que ciertos supercompañeros son lo suficientemente ligeros para haber sido generados en aceleradores como el Gran Colisionador de Electrón-Positrón – el prodecesor del LHC en el CERN – o el colisionador Tevatron en Batavia, Illinois. Aunque ninguno de los aceleradores ha encontrado nada.

La razón de que los físicos estén tan entusiasmados con el LHC, sin embargo, es que el tipo de supersimetría que mejor resuelve el problema jerárquico se hará visible a las mayores energías que explorará el LHC. De forma similar, si los neutralinos tienen la masa adecuada para formar la materia oscura, deberían producirse en gran número en el LHC.

Desde el accidente durante la puesta en marcha del acelerador el año pasado, el CERN ha adoptado una aproximación más tranquila en el reinicio del LHC. Durante el primer año impactará dos rayos de protones con una energía total de 7 teraelectrón-voltios (TeV), la mitad de la energía para la que está diseñado. Incluso eso es un paso adelante importante respecto a los 1,96 TeV que el Tevatron, el anterior poseedor del récord, podía lograr. “Si las partículas supersimétricas más pesadas pesan menos de un teraelectrón-voltio, entonces podrían ser generadas bastante copiosamente en las primeras etapas de ejecución del LHC”, dice el teórico del CERN John Ellis.

De ser así, los eventos después de que se reinicie el acelerador podrían ser paradójicos. Los protones que impacten en el LHC estarán compuestos de partículas hechas de quarks y gluones, y producen unos restos extremadamente confusos. Podría llevar mucho tiempo encontrar al Higgs entre toda esa basura, dice Ellis.

Cualquier partícula supersimétrica, por otra parte, decaerá en apenas 10-16 segundos en un montón de partículas secundarias, culminando en una cascada de neutralinos. Debido a que los neutralinos apenas interaccionan con otras partículas, escaparán a los detectores del LHC. Paradójicamente, esto puede hacerlos fáciles de detectar dado que la energía y momento que portan parecerá que se desvanece. “Esto, en principio, es algo bastante distintivo”, dice Ellis.

Por lo que si existen pruebas de la supersimetría en la forma que esperan la mayor parte de teóricos, podrían ser descubiertas mucho antes de la partícula de Higgs, cuyos problemas propone resolver SUSY. Cualquier visión de algo que parezca un neutralino serían muy buenas noticias. Como poco sería el mejor avistamiento hasta la fecha de una partícula de materia oscura. Mejor aún, nos diría que la naturaleza es fundamentalmente supersimétrica.

Hay una sensación de entusiasmo palpable en lo que podría encontrar el LHC en los próximos años. “Estaré encantado si es la supersimetría”, dice Seiberg. “Pero también si es alguna otra cosa. Necesitamos más pistas sobre la naturaleza. El LHC nos dará estas pistas”.



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Autor: Anil Ananthaswamy
Fecha Original: 11 de noviembre de 2009
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