El mayor problema sin resolver de la física moderna: ¿por qué la gravedad es tan débil?

Nuestro modelo estándar de partículas e interacciones elementales no hace mucho tiempo se volvió tan completo como uno podría haber deseado. Cada partícula elemental, en todas sus formas posibles, se creó en el laboratorio, se midió y se determinaron las propiedades para todos. El quark superior, el antiquark, el tau neutrino y el antineutrino más antiguos, y finalmente el bosón de Higgs, fueron víctimas de nuestras posibilidades.

Y el último, el bosón de Higgs, también resolvió el viejo problema de la física: finalmente, ¡podemos demostrar de dónde provienen las partículas elementales!



Está todo bien, pero la ciencia no termina cuando termina la solución a este rompecabezas. Por el contrario, plantea preguntas importantes, y una de ellas es "¿qué sigue?". En cuanto al modelo estándar, podemos decir que todavía no lo sabemos todo. Y para la mayoría de los físicos, una de las preguntas es especialmente importante: para describirla, consideremos primero la siguiente propiedad del Modelo estándar.



Por un lado, las interacciones débiles, electromagnéticas y fuertes pueden ser muy importantes, dependiendo de sus energías y las distancias a las que se lleva a cabo la interacción. Pero con la gravedad no es así.

Si de repente lees este hermoso libro de Lisa Randall , la autora , ella escribió mucho sobre este acertijo, que yo llamaría el mayor problema no resuelto de la física teórica: el problema de la jerarquía .



Podemos tomar dos partículas elementales, cualquier masa y sujetas a cualquier interacción, y descubrir que la gravedad es 40 órdenes de magnitud más débil que cualquier otra fuerza en el universo. Esto significa que la fuerza de gravedad es 10 ⁴⁰veces más débil que las tres fuerzas restantes. Por ejemplo, aunque no son fundamentales, pero si tomas dos protones y los llevas a un metro de distancia, la repulsión electromagnética entre ellos será de 10 a ⁴⁰ veces más fuerte que la atracción gravitacional. O, en otras palabras, necesitamos aumentar la fuerza de gravedad en 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 veces para compararla con cualquier otra de las fuerzas.

Además, uno no puede simplemente aumentar la masa de protones en un factor de 10 ²⁰ , por lo que la gravedad los une, superando la fuerza electromagnética.



En cambio, para que reacciones como la que se ilustra arriba ocurran espontáneamente, cuando los protones superan su repulsión electromagnética, es necesario juntar 10 ⁵⁶protones Solo uniéndose y sucumbiendo a la fuerza de la gravedad, pueden vencer el electromagnetismo. Resulta que 10 ⁵⁶ protones constituirán la masa mínima posible de la estrella.

Esta es una descripción de cómo funciona el universo, pero no sabemos por qué es así. ¿Por qué la gravedad es más débil que otras interacciones? ¿Por qué la "carga gravitacional" (es decir, la masa) es más débil que la eléctrica o de color, o incluso débil?

Aquí es donde radica el problema de la jerarquía y, por muchas razones, sirve como el mayor problema no resuelto de la física. La respuesta es desconocida para nosotros, pero no podemos decir que somos completamente ignorantes. Teóricamente , tenemos algunas buenas ideas sobre cómo encontrar una solución y una herramienta para encontrar evidencia de su corrección.



Hasta ahora, el Gran Colisionador de Hadrones, la energía más alta de los colisionadores, ha alcanzado niveles de energía sin precedentes en el laboratorio, recolectó un montón de datos y recreó lo que está sucediendo en los puntos de colisión. Esto incluye la creación de partículas nuevas, hasta ahora invisibles (como el bosón de Higgs), y la aparición de partículas viejas y conocidas del Modelo Estándar (quarks, leptones, bosones medidores). Además, es capaz, si existen, de producir cualquier otra partícula que no esté incluida en el Modelo Estándar.

Hay cuatro formas posibles que conozco, es decir, cuatro buenas ideas, para resolver el problema de la jerarquía. La buena noticia es que si la naturaleza elige uno de ellos, ¡entonces el LHC lo encontrará! (Y si no, la búsqueda continuará).



Además del bosón de Higgs, encontrado hace varios años, no se encontraron nuevas partículas fundamentales en el LHC. (Además, no hay nuevos candidatos de partículas interesantes en absoluto). Y, sin embargo, la partícula encontrada era totalmente consistente con la descripción del Modelo Estándar; no se notaron indicios estadísticamente significativos de nueva física. Ni los bosones de Higgs compuestos, ni las múltiples partículas de Higgs, ni las desintegraciones no estándar, nada de eso.

Pero ahora comenzamos a recibir datos de energías aún más altas, dos veces más grandes que las anteriores, hasta 13-14 TeV para encontrar algo más. ¿Y qué, en este sentido, son soluciones posibles y razonables para el problema de la jerarquía?



1) Supersimetría, o SUSY. La supersimetría es una simetría especial capaz de causar las masas normales de cualquier partícula lo suficientemente grande como para que la gravedad sea comparable con otras influencias, aniquilándose mutuamente con un alto grado de precisión. Esta simetría también supone que cada partícula en el modelo estándar tiene una superpartícula asociada, y que hay cinco partículas de Higgs y cinco de sus superpartículas. Si existe tal simetría, debe romperse, o los súper socios tendrían las mismas masas que las partículas ordinarias, y se habrían encontrado por mucho tiempo.

Si SUSY existe en una escala adecuada para resolver el problema de la jerarquía, entonces el LHC, habiendo alcanzado energías de 14 TeV, debe encontrar al menos un supercompañero, así como una segunda partícula de Higgs. De lo contrario, la existencia de súper socios muy pesados ​​conducirá a otro problema de jerarquía que no tendrá una buena solución. (Curiosamente, la ausencia de partículas SUSY en todas las energías refutará la teoría de cuerdas, ya que la supersimetría es una condición necesaria para las teorías de cuerdas que contienen un modelo estándar de partículas elementales).

Aquí está la primera solución posible al problema de la jerarquía, que actualmente no tiene evidencia.



2) Technicvet(Technicolor). No, este no es un sistema de cine en color de la década de 1950, es un término físico para las teorías que requieren nuevas interacciones de indicadores, y que carecen de partículas de Higgs o que tienen partículas de Higgs inestables o no observables (es decir, compuestas). Si se confirmara el color técnico, también necesitaría un conjunto nuevo e interesante.partículas observadas En principio, este sistema podría ser la solución a nuestro problema, pero el descubrimiento reciente de una partícula de spin-cero en el nivel de energía deseado parece refutar esta posible solución. Ahora, si esta partícula de Higgs no fuera fundamental, sino compuesta, hecha de varias fundamentales, esto ayudaría a que la teoría siga siendo una solución aceptable. Una futura prueba de LHC con energías de 13-14 TeV será suficiente para averiguarlo con seguridad.

Hay dos posibilidades más, una de ellas es más prometedora, pero ambas incluyen dimensiones adicionales.



3) Medidas adicionales contraídas. Esta teoría, presentada por la mencionada Lisa Randall y Raman Sundrum, postula que la gravedad es en realidad tan fuerte como las otras influencias, pero no en un universo con tres dimensiones espaciales. Ella vive en otro Universo con tres dimensiones espaciales, desplazadas en relación con la nuestra por solo 10 ^-31 metros en la cuarta dimensión espacial (o, como se muestra en el diagrama anterior, en la quinta dimensión, cuando se activa el tiempo). Esta teoría es interesante porque dicho sistema sería estable y podría ofrecer una explicación de por qué el Universo se estaba expandiendo tan rápidamente al principio (y el espacio-tiempo enroscado es capaz de eso), por lo tanto, tiene grandes ventajas.

También debe incluir un conjunto adicional de partículas; no supersimétricas, sino partículas de Kaluza-Klein, y esto es consecuencia de la presencia de mediciones adicionales. Por cierto, en el experimento espacial , se obtuvo una pista de la existencia de partículas de Kaluza-Klein a energías de 600 GeV, o con una masa de 5 veces la de Higgs. Y, aunque tales energías aún no se han logrado en los colisionadores actuales, el nuevo LHC tendrá que ser capaz de crear tales partículas en abundancia, si existen.



Pero la existencia de esta nueva partícula no está garantizada, ya que la señal recibida es solo un exceso de los electrones observados en comparación con el fondo esperado. Pero debe tenerse en cuenta, porque cuando el LHC acelere a las energías máximas, casi todas las partículas que pesen menos de 1000 GeV tendrán que estar a su alcance.

Y finalmente ...



4) Grandes dimensiones adicionales. Es posible que las medidas adicionales no se colapsen, sino que sean grandes, pero solo grandes en comparación con las colapsadas, cuyo tamaño es de 10 a ³¹ m. Las medidas "grandes" deben tener un tamaño milimétrico, por lo que las partículas nuevas deben comenzar a aparecer dentro de los límites del LHC. De nuevo, también pueden aparecer partículas de Kaluza-Klein, y esta puede ser una posible solución al problema de la jerarquía.

Pero una consecuencia de este modelo será que la gravedad se desviará fuertemente del newtoniano a distancias de menos de un milímetro, y probar esto es muy difícil. Los experimentadores modernos, sin embargo, están listos para aceptar el desafío .



Es posible crear pequeños brackets sobreenfriados llenos de cristales piezoeléctricos (que generan electricidad durante la deformación), con distancias entre ellos del orden de micras . Esta tecnología nos permite imponer una limitación de 5-10 micras en las mediciones "grandes". En otras palabras, la gravedad funciona de acuerdo con las predicciones de la relatividad general en escalas mucho más pequeñas que un milímetro. Entonces, si hay grandes dimensiones adicionales, están en niveles de energía inaccesibles para el LHC y, lo que es más importante, no resuelven el problema de la jerarquía.

Por supuesto, se puede encontrar una solución completamente diferente para el problema de la jerarquía.que no se puede encontrar en colisionadores modernos, o no hay solución en absoluto; simplemente puede ser una propiedad de la naturaleza sin ninguna explicación. Pero la ciencia no avanzará sin intentarlo, y esto es exactamente lo que estas ideas y búsquedas intentan hacer: avanzar en nuestro conocimiento del Universo. Y, como siempre, con el inicio del segundo lanzamiento del LHC, espero lo que pueda aparecer allí, ¡excepto el bosón de Higgs ya abierto!

Source: https://habr.com/ru/post/es397421/