¿Qué es la supersimetría?
La supersimetría es una simetría hipotética de espacio y tiempo, y es única. Durante décadas, esta idea ha sido muy popular entre los físicos teóricos por varias razones: fue un éxito cuando era estudiante, incluso antes de que la física se convirtiera en un tema genial, e incluso antes.
Una consecuencia automática de la presencia de simetría en la naturaleza será que cada tipo de partícula tendrá uno o más súper socios, otro tipo de partícula que tiene las mismas propiedades, pero que difiere de una manera cierta e importante. Si la partícula es un fermión, entonces su supercompañero es un bosón. Si una partícula es un bosón, su supercompañero es un fermión (
que son fermiones y bosones ).
En nuestro mundo, muchos fermiones son todas partículas de materia, y muchos bosones son todos portadores de interacciones. Pero ninguna de estas partículas tiene las propiedades adecuadas para ser alguien un súper compañero. Por lo tanto, si la supersimetría fuera simetría natural, cada uno de los tipos de partículas elementales que conocemos tendría que tener socios, hasta que nos descubrieran. Y como conocemos más de 20 partículas, ¡tenemos mucho trabajo por hacer!
Entonces, ¿qué es esta simetría? Esta es una simetría que conecta el espacio y el tiempo con las direcciones del espacio y el tiempo de los súper socios; en otras palabras, el espacio-tiempo tiene dimensiones adicionales a diferencia de las que conocemos. En la dimensión bosónica, estamos acostumbrados a ellos, puede moverse lo que quiera, por ejemplo, moverse a la izquierda paso a paso. En la dimensión fermiónica, todo está organizado de modo que solo se pueda dar un paso. Si das un paso más, no te encontrarás en ninguna parte. Solo puedes volver. Suena extraño, y lo es; al final, es necesario determinar tales mediciones a través de las matemáticas y no usar palabras o analogías.
La teoría de la relatividad de Einstein hace un excelente trabajo al describir y predecir muchos aspectos de nuestro mundo. Su teoría consiste en un conjunto de ecuaciones que obedecen a cierto conjunto de simetrías. Por ejemplo, simetría traslacional o simetría asociada con la transferencia de un experimento de un lugar en el espacio-tiempo a otro: un experimento realizado hoy en Londres dará el mismo resultado que el mismo experimento realizado unos meses más tarde en Tokio. En la década de 1960, se demostró matemáticamente que la supersimetría es la única simetría que se puede agregar a las simetrías de la teoría de Einstein para que las ecuaciones resultantes no comiencen a divergir de las propiedades del mundo real. En este sentido, la supersimetría se distingue.
¿Dónde están estas partículas supercompañeras?
Si la supersimetría fuera la simetría exacta de la naturaleza, ya encontraríamos muchos súper socios.
Antes de continuar, recordemos qué
partículas elementales conocemos. En el artículo de referencia fig. 1 y 2 son especialmente útiles para capturar partículas de un vistazo y compararlas con las siguientes figuras.
Fig. 1En la fig. 1, mostré qué partículas existirían en el mundo si el Modelo Estándar se complementara con una supersimetría precisa.
• Por cada fermión de materia, por ejemplo, un electrón o un quark extraño, hay dos partículas nuevas, ambos bosones. Sus nombres son bastante feos, un electrón y un extraño escuadrón, donde "c" significa supersimetría. Puede preguntar por qué hay dos de ellos (y por qué solo hay uno para cada neutrino). Consulte la fig. 3 a continuación, y todo debería quedar claro para usted.
• Para los bosones portadores, existen socios fermion. Un fotón tiene un fotino, un gluón tiene un gluino, etc. Con enormes bosones W, las cosas son un poco más complicadas. Tienen un vino asociado [wino], así como un compañero de Higgs llamado H
+ (¡Atención! Esta partícula no debe confundirse con la partícula H
+ que aparece en un artículo que dice
qué pasaría con el Modelo Estándar si el campo de Higgs fuera Desafortunadamente, en la física de partículas con nombres de partículas hay un problema constante: no hay suficientes letras). Todas estas partículas tienen exactamente la misma masa en este mundo imaginario supersimétrico.
• En este modelo, hay dos partículas de Higgs, h
0 y H
0 , y cada una tiene un compañero Higgsino. Uno no tiene masa, el segundo es masivo. ¿Por qué dos? Resulta que en el mundo supersimétrico, se necesitan dos partículas para que la masa aparezca en los quarks superior e inferior de la manera habitual. El segundo argumento es que dos Higgsino son necesarios para la consistencia matemática.
Pero, obviamente, este mundo idealmente supersimétrico no es nuestro. Como se muestra en la figura, en un mundo así, las partículas y sus súper socios:
• Asimismo, interactúa con otras partículas y sus súper compañeros.
• Tener exactamente el mismo peso.
Habríamos sabido hace más de cien años sobre la existencia de partículas que tendrían la misma carga eléctrica y la misma masa que los electrones, pero no serían electrones. Por ejemplo, tendríamos átomos con electrones, átomos con electrones y átomos con su mezcla. El número de tipos de átomos sería mucho mayor que los observados, y dado que los bosones en los átomos se comportarían de manera completamente diferente a los fermiones, la química de los nuevos átomos sería completamente diferente. Los datos y la experiencia cotidiana excluyen esta posibilidad. No hay electrones con una masa de electrones, y ese es el punto. Entonces, la supersimetría exacta no es una teoría correcta de la naturaleza, y lo sabíamos incluso antes de concebirla.
¿El fin de la supersimetría? No tan rapido
A pesar de la aparente catástrofe, la teoría original de la supersimetría nos da una salida simple y plausible de la situación. La idea de que las simetrías se pueden ocultar de nuestra mirada está muy extendida en física (los físicos dicen que se rompen espontáneamente, pero este no es un muy buen ejemplo intuitivo: hay simetría, es simplemente difícil de reconocer).
Fig. 2Un ejemplo es la simetría rotacional en la Tierra. Las leyes de la naturaleza no dependen de cómo se orientará el experimento (ver Fig. 2). Esto es cierto, pero es difícil de ver en la Tierra, donde importa si su experimento está al revés, si está al revés o si está inclinado. Pero en el espacio lejano, lejos de los planetas, lunas y estrellas, las leyes de la naturaleza tienen simetría rotacional. Su experimento dará la misma respuesta independientemente de su orientación. Por cierto, las mediciones de luz emitidas por átomos muy distantes confirman esta teoría. La tierra nos confunde. Nos hace pensar que la dirección hacia abajo es diferente de la dirección hacia arriba o hacia la izquierda. Pero esta aparente diferencia no es propiedad de las leyes de la naturaleza. La diferencia surge de la proximidad de la Tierra que oculta la simetría rotacional de nuestra mirada.
La pregunta es, si algún aspecto de nuestro mundo (no tan áspero como la Tierra, pero algo imperceptible, como el campo de Higgs) se esconde de la supersimetría de nuestros ojos en todo el Universo. Entonces que? Resulta que es bastante fácil obtener el mismo mundo que el nuestro, donde existen los supercompañeros de partes famosas, simplemente se volvió más difícil, demasiado pesado para que podamos encontrarlo en los experimentos.
Fig. 3Un mundo realista posible de este tipo, quizás similar al nuestro, se muestra en la fig. 3. Usted ve que la violación de la supersimetría (el hecho de que se está ocultando y no es fácil de detectar) aumentó la escala de masa de todos los súper socios para que toda la escala de masa sea más alta que la masa del quark superior. Y esto no es tan artificial o estúpido como parece: las matemáticas aceptan fácilmente este efecto. Hay muchos ejemplos precisos de cómo puede suceder esto, pero hay demasiados para hacernos adivinar cuál es el más probable.
En este mundo probable, que les he mostrado, hice varias suposiciones arbitrarias, pero a menudo se encuentran en ejemplos detallados de ruptura de supersimetría estudiados por físicos teóricos, incluido yo mismo:
• Squarks y gluino engordaron mucho.
• Los sleptones y los sneytrinos recibieron una gran masa, pero probablemente un poco menos que las squarks y el gluino.
• El vino, el zino, el fotino y el Higgino se mezclan en un conjunto de partículas cargadas eléctricamente, chargeino y partículas eléctricamente neutras, neutras, algunas de las cuales son probablemente un poco más masivas que W y Z.
• Cinco partículas de Higgs tienen una amplia gama de masas, aunque al menos una de ellas es bastante ligera.
¡Y este no es el único esquema que puede ocurrir cuando se rompe la supersimetría! Hay muchas otras posibilidades que llamaré opciones de supersimetría. Pero la opción que presenté es la más popular entre los teóricos y experimentadores, especialmente en Europa (en los EE. UU. Es menos popular, no conozco otros lugares). Hay buenas razones para esta popularidad; Resulta que hay varias formas independientes de obtener un circuito similar a este. Sin embargo, la popularidad siempre genera sesgo, y debemos considerar todas las posibilidades sin hacer suposiciones sobre estos argumentos.
Pero si los súper socios son muy masivos, ¿no puede suceder que no podamos producir ninguno de ellos en las próximas décadas o incluso siglos? ¿No estamos contando el
número de ángeles que pueden caber en la punta de una aguja ? De lo anterior, realmente se deduce que existe tal riesgo. Sin embargo, hay un argumento más sutil a favor de la presencia de supersimetría, gracias a lo cual muchos físicos tienen la esperanza de que todos estos súper socios estén al alcance del Gran Colisionador de Hadrones. Esto se desprende del hecho de que la supersimetría resolvería el problema de la jerarquía, uno de los mayores misterios de nuestro mundo.
Una propiedad importante de la naturaleza que desconcierta a los científicos, incluido yo, es la propiedad de la jerarquía, la gran diferencia entre las propiedades de la interacción nuclear débil y la gravedad. Esta jerarquía se puede describir de varias maneras diferentes, cada una de las cuales se basa en una de sus propiedades. Por ejemplo:
La masa del agujero negro más pequeño posible determina lo que se conoce como la
masa de Planck . Una forma más precisa de determinar esta cantidad es combinando la constante gravitacional newtoniana G, la constante cuántica [reducida] de Planck ħ y la velocidad de la luz c: la masa de Planck es
Las masas de partículas W y Z que experimentan una interacción nuclear débil son aproximadamente 10,000,000,000,000,000 veces menos que la masa de Planck. A este respecto, existe una enorme jerarquía de escalas de masa entre la interacción nuclear débil y la gravedad.
Frente a un número tan enorme como 10,000,000,000,000,000, diez billones, los físicos naturalmente hacen la pregunta: ¿de dónde vino? Y él puede tener una explicación bastante interesante.
Pero tratando de encontrar esta explicación en la década de 1970, los físicos vieron la existencia de un problema grave, incluso una paradoja, escondido detrás de este número. Este problema, ahora conocido como el problema de la jerarquía, está asociado con el tamaño del campo de Higgs distinto de cero, que a su vez determina la masa de las partículas W y Z.
El campo de Higgs que no es cero tiene un tamaño de aproximadamente 250 GeV, esto da una masa de partículas de W y Z igual a aproximadamente 100 GeV. Pero resulta que de la mecánica cuántica se deduce que tal tamaño del campo de Higgs es inestable, es algo así como (¡analogía incompleta!) Un jarrón que se balancea en el borde de la mesa. Por la física que conocemos, por la inquietud cuántica, parece que para el campo de Higgs debería haber dos significados naturales: por analogía con dos lugares naturales para un florero, ya sea firmemente parado sobre una mesa o acostado roto en el piso. Y resulta que el campo de Higgs parece ser cero, o debería ser comparable en tamaño con la energía de Planck, 10,000,000,000,000,000 más que el valor observado. ¿Por qué su valor obtenido no es cero y es tan pequeño que, a primera vista, no es natural?
Este es el problema de la jerarquía.
Muchos físicos teóricos dedicaron una parte importante de su carrera a los intentos de resolver este problema. Algunos argumentaron que necesitábamos nuevas partículas y nuevas interacciones (sus ideas se llaman supersimetría, color técnico, pequeños Higgs, etc.) Algunos dijeron que nuestra comprensión de la gravedad es errónea y que existen nuevas dimensiones desconocidas ("dimensiones adicionales ») Los espacios que encontraremos en un futuro cercano en experimentos en el LHC. Otros dicen que no hay nada que explicar, ya que el efecto de selección está vigente: el Universo es mucho más grande y más diverso que la parte que estamos observando, y vivimos en una parte bastante poco natural del Universo, principalmente porque el resto no es adecuado para la vida, al igual que , a pesar de que los planetas rocosos son raros, vivimos en uno de ellos porque solo aquí podríamos evolucionar y sobrevivir. Quizás este problema tenga otras soluciones aún no inventadas.
Muchas de estas soluciones, ciertamente todas las soluciones con nuevas partículas e interacciones, y con nuevas dimensiones, predicen que se pueden ver nuevos fenómenos en el LHC. Y gradualmente, pero inexorablemente, el LHC elimina estas posibilidades una tras otra. Hasta ahora, no hemos visto ningún fenómeno inesperado. Pero solo estamos al comienzo del viaje.
Por cierto, a menudo se puede leer cómo se asocia el problema de la jerarquía con la masa de partículas de Higgs. Esto no es asi. El problema es que el valor del campo de Higgs que no es cero es demasiado grande. Estrictamente hablando, la mecánica cuántica no corrige la masa de Higgs, sino el cuadrado de la masa de Higgs, cambiando la energía potencial del campo de Higgs y, por lo tanto, la magnitud del campo, y lo hace cero o demasiado grande. Y esto es un desastre, ya que las masas W y Z son conocidas. La masa de Higgs es desconocida, por lo que podría ser muy grande, si las masas W y Z también serían grandes. Entonces, el problema radica en las masas de W y Z, y en la magnitud del campo de Higgs distinto de cero, el problema desde un punto de vista lógico y científico.