Cómo buscar supersimetría en el Gran Colisionador de Hadrones

Si en la calle le preguntas a una persona al azar: "¿cómo buscar la supersimetría?" entonces es probable que cambie de lado rápidamente. Pero si hace esta pregunta en la calle en el CERN, el laboratorio que maneja el Gran Colisionador de Hadrones, lo más probable es que obtenga algo como: "Busque un número inesperado de colisiones con chorros y energía faltante".

Y tal respuesta ya puede hacerte cruzar rápidamente el otro lado de la calle. Pero él no es tan inexplicable, solo necesita una traducción. Significa lo siguiente:

Es necesario buscar una cantidad inesperadamente grande de colisiones de protones con protones, en las cuales hay signos como (a) quarks, anticuarks o gluones (partículas dentro de los protones y otros hadrones) que emanan de una colisión con muy alta energía, como si fuera un cañón (y creando partículas , llamados " jets "), y (b) partículas indefinibles, volando de forma invisible y llevando consigo una gran cantidad de impulso y energía.

El propósito de este artículo es explicarle por qué las personas darán una respuesta similar y cuáles son sus fortalezas y debilidades.

Información preliminar

Debe leer un artículo sobre qué es la supersimetría y qué significan sus predicciones. En resumen: para cada tipo de partículas que conocemos en la naturaleza, para la supersimetría, se requieren una o dos partículas adicionales, que los físicos suelen llamar súper socios, que tienen propiedades similares, pero difieren en un aspecto:

Si la partícula que ya conocemos es un bosón, entonces su supercompañero será un fermión, y viceversa (en este artículo puede leer sobre qué son los bosones y fermiones).

Para evitar contradicciones con los datos ya obtenidos, la supersimetría debe ocultarse de manera astuta, por lo que aparece una segunda diferencia entre la partícula y su supercompañero:

La masa del supercompañero es mayor que la masa de la partícula que ya conocemos.

En la versión más popular de la supersimetría, el supercompañero de cada partícula que conocemos resulta ser lo suficientemente pesado como para superar apenas el poder de los experimentos anteriores, pero al mismo tiempo estar dentro de las capacidades del LHC.


Fig. 1: las partículas conocidas y de Higgs, así como sus súper compañeros ( sleptons , sneytrino, squark , gluino, chargeino y neutralino ), predichos por supersimetría. Partículas más pesadas en la parte superior.

La razón por la cual muchos físicos creen que es probable que los súper socios estén dentro de las capacidades del LHC es que creen que la supersimetría puede ser la solución a un enigma conocido como el problema de la jerarquía de indicadores . Si los súper socios son mucho más difíciles, entonces habrá que buscar una solución al problema de la jerarquía en otro lugar.

Supongamos que los físicos tienen razón: ¿por qué entonces debemos buscar colisiones que conduzcan a la aparición de muchos chorros (signos de quarks / anticuarcos / gluones de alta energía) y mucha energía faltante (signos de partículas invisibles)?

¿De dónde viene la respuesta "chorros y energía faltante"?

Primero déjame decirte lo que los físicos tienen en mente, y luego te diré de dónde vino todo.

Esto es lo que piensan:


Fig. 2: dos protones (vista en perspectiva) se precipitan uno hacia el otro, y el quark superior dentro del protón cercano pronto colisionará con el quark superior dentro del protón lejano en el punto de colisión

Dado que el protón consiste en quarks, antiquarks y gluones, que están sujetos a fuertes interacciones nucleares, en las colisiones de protones con el LHC, es más fácil obtener súper socios de todos los súper socios: squarks, antiquarks y gluino. Por ejemplo, (en las figuras 2 y 3), en la colisión de protones, dos quarks superiores pueden colisionar y formar dos quarks superiores.


Fig. 3: Chocando los quarks superiores con la fig. 2 producen un par de squarks superiores, cada uno de los cuales se desintegra casi inmediatamente en el quark superior y neutralino (una mezcla de supercompañeros de un fotón, partículas de Z y Higgs).

¿Qué pasará después? Como la mayoría de las partículas, el squark se descompondrá. Para que En muchas variantes de la supersimetría, las escuadras se descomponen en un quark y otro supercompañero, neutralino (una mezcla de supercompañeros de un fotón, partículas de Z y Higgs). Los Quarks llevan mucha energía y se convierten en chorros, y neutral no vuelan a través de los detectores sin dejar rastro. En consecuencia, deberíamos ver dos jets de alta energía, uno para cada quark, y señales de que están rebotando en algo invisible y no detectado.


Fig. 4: cada quark de alta energía con la fig. 3 se convertirá en una corriente de hadrones, y neutralino se deslizará sin cambios

La colisión en sí y la aparición con la posterior descomposición de los squarks se muestran en la Fig. 3. Los jets y el neutralino que salen del punto de colisión se muestran en la Fig. 4. Lo que el detector realmente ve, la única información que reciben los científicos, se muestra en la Fig. 5)

El aparente desequilibrio visto en la fig. 5, donde la mayor parte de la sustancia va hacia la derecha y hacia arriba, pero nada va hacia la izquierda y hacia abajo, por razones históricas desafortunadas y por brevedad se llama "energía faltante". De hecho, esto es "un impulso perdido en direcciones perpendiculares a los rayos que colisionan": la frase es larga, lo que explica parcialmente el deseo de brevedad.


Fig. 5: el detector en el LHC (ATLAS o CMS) detectará dos chorros de la Fig. 4 en forma de señales electrónicas localizadas que aparecen cuando las partículas pasan a través del equipo de rastreo y se detienen en un detector de energía. Dos neutralinos no dejan huellas, y su presencia solo se puede juzgar por la ausencia de algo reflejado por los chorros.

Si aparecen pares de gluino en su lugar, la situación será ligeramente diferente. Por lo general, cada uno de los dos gluinos se descompondrá en un quark, antiquark y neutralino, por lo que los detectores volverán a ver chorros (en este caso cuatro), junto con la "energía faltante" de los dos neutralinos.

Es una imagen que los físicos imaginan cuando responden a su pregunta sobre la búsqueda de la supersimetría. Para entender de dónde viene, es necesario estudiar los supuestos subyacentes.

Supuestos subyacentes a la respuesta "chorros y energía faltante"

Vamos a hacer este viaje lógico ahora, se ilustra en la Fig. 6. Al final de nuestro recorrido, podrá, en cierta medida, juzgar las fortalezas y debilidades de esta respuesta a su pregunta inicial.

Se incluyen tres supuestos básicos en la lógica.

Supuesto 1 : suponemos que existe un principio adicional en la naturaleza que la supersimetría en sí misma no requiere, y según el cual, en cualquier proceso físico, el número de súper socios puede cambiar por un número par (su nombre técnico es la conservación de la paridad R ; informo no porque su nombre es muy importante, pero porque podrías conocerlo en otro lugar).

¿Por qué los teóricos imponen tal criterio? Sin la suposición 1, la supersimetría predeciría la existencia de nuevas interacciones entre partículas de materia, y generalmente conducen a la rápida descomposición de los protones. Y esto entra en conflicto con los datos. Un protón es extremadamente estable (afortunadamente, incluso una tasa de descomposición lenta de los protones nos mataría, derretiría la Tierra, etc.). Puedes tomar un tanque con mil millones de billones de billones de protones, esperar diez años y no encontrar un solo protón en descomposición (sí, ¡y la gente trató de hacerlo! Para hacer esto, necesitas 180,000 toneladas de agua). Entonces, sin suponer 1 supersimetría, estaríamos muertos.

Pero si la suposición 1 es verdadera: se conserva la paridad R, entonces estas nuevas interacciones están prohibidas. La supersimetría más la conservación de la paridad R predice un protón muy, muy longevo, que corresponde (en un caso favorable) a los datos.

Tenga en cuenta que este requisito de preservar la paridad R no se impone porque requiere supersimetría o se basa en algunos principios teóricos. Se agrega porque el cumplimiento de los datos lo requiere. Este es también un requisito perfectamente razonable desde un punto de vista teórico.

Supuesto 2 : De todos los súper socios en la naturaleza, el compañero de la partícula de Higgs será el más ligero y, por lo tanto, este es uno de los súper socios en la Fig. 1: gluino, squark, slepton cargado, sneutrino, chargeino o neutralino.

Esta suposición es discutible. En primer lugar, si la supersimetría es verdadera, entonces el gravitón (el portador de la gravedad) también debe tener un súper compañero, gravitino, y está en la Fig. 1 no. ¿Qué tan pesado es el gravitino? No lo sabemos En algunas versiones de la supersimetría, es tan pesado como los súper socios más pesados ​​de la Fig. 1, squark y gluino. En otras versiones, es mucho más ligero, ¡e incluso puede ser más ligero que un electrón! Y esto violaría el supuesto 2.

O en la naturaleza puede haber partículas con masas muy pequeñas, que aún no conocemos, ya que son muy difíciles de crear o detectar, partículas que no se ven afectadas por ninguna de las tres fuerzas en la Fig. 1, interacciones nucleares electromagnéticas, débiles o fuertes. Estas partículas generalmente se llaman "ocultas", debido al hecho de que son difíciles de obtener, a pesar del bajo peso. (Si hablamos de varios tipos de partículas ocultas, a menudo se les llama "sector oculto"). Si la supersimetría es verdadera, estas partículas también tienen supercompañeros: como se menciona en el artículo sobre supersimetría, la supersimetría es la simetría del espacio y el tiempo, por lo que cualquier tipo de partícula que se mueva en el espacio y el tiempo debe tener un supercompañero. Y si alguno de estos súper socios es más ligero que el súper socio más ligero de la fig. 1, entonces la suposición 2 es falsa.

El supuesto 2 no es requerido por los datos experimentales. Los mejores argumentos teóricos contra las partículas ocultas indican que es probable que la naturaleza sea simple y elegante, y dado que las partículas ocultas son basura superflua, la probabilidad de su existencia es baja (si este argumento te convence o no es cuestión de gustos). El mejor argumento contra el gravitino ligero es que el gravitino estable podría causar muchos problemas diferentes durante el Big Bang. A favor de la Asunción 2, hay otro argumento relacionado con el hecho de que el súper compañero más ligero puede desempeñar el papel de la materia oscura del Universo, pero para comprenderlo, primero debemos entender algunas de sus consecuencias adicionales, por lo que aún no entraremos en él.

Supuesto 3 : los súper socios que están sujetos a fuertes interacciones nucleares (squarks, antiquarks, gluinos) probablemente sean pesados, mucho más pesados ​​que otros súper socios, aunque no tanto como para no aparecer en el LHC con bastante frecuencia.

Esta suposición es más precaria que las otras dos: ¿qué quiere decir "pesado" y "a menudo"? Pero en lugar de profundizar en tales consideraciones, simplemente diré que en muchas, muchas versiones de la supersimetría, esto resulta ser cierto. Los cálculos teóricos muestran que en muchos casos diferentes, estos súper socios expuestos a fuertes interacciones nucleares son más difíciles que la mayoría del resto. Pero este no es siempre el caso.


Fig. 6: una cadena lógica que lleva a los físicos a buscar la supersimetría mediante búsquedas de colisión, cuyos resultados son similares a los de la Fig. 5. SP - súper socios, LSP - los súper socios más ligeros.

¿Qué se deduce de estos supuestos? Algunas consecuencias muy importantes; para seguir la cadena, use la fig. 6)

La suposición 1 tiene tres consecuencias clave:

1. Si comienza sin supercompañeros (lo que sucede en el caso de una colisión de dos protones) y los obtiene después de una colisión, entonces deberían aparecer al menos dos de ellos. No puede comenzar desde cero a los súper socios y obtener uno.
2. Si tienes un súper compañero y se rompe, debería haber al menos un súper compañero entre los resultados del descanso (tal vez tres o cinco, pero casi siempre uno). No puedes comenzar con un súper compañero y obtener cero.
3. El supercompañero más ligero no puede descomponerse, es una partícula estable, ya que las partículas pueden descomponerse solo en partículas de menor masa, por lo que si el supercompañero más ligero decae, significaría que un supercompañero se convirtió en cero supercompañeros.

¡Qué asombroso! De la supersimetría y la conservación de la paridad R se deduce la existencia de una partícula estable aún desconocida: el supercompañero más ligero (LSP). ¿Qué propiedades puede tener una partícula de este tipo?

Supongamos que una interacción nuclear electromagnética o fuerte actúa sobre esta partícula. Entonces (i) en el Universo temprano, durante el Big Bang, aparecerían muchas de esas partículas; (ii) afectarían la abundancia de varios elementos, como el litio, durante el Big Bang, de modo que esta abundancia no sería consistente con las observaciones de hoy; (iii) todavía volarían alrededor del Universo, algunos de ellos colisionarían con la Tierra, crearían átomos exóticos, que durante mucho tiempo se habrían descubierto mediante una búsqueda exhaustiva de nuevos átomos inusuales. Aunque esto merece una discusión más larga, la conclusión principal es que cualquier partícula estable nueva no debe exponerse a interacciones nucleares electromagnéticas y fuertes.

Bueno, teniendo esto en cuenta, ¿se deduce de la Asunción 2? El súper compañero más ligero puede ser uno de los neutrinos o uno de los neutrales. Todos los demás súper socios (squarks, sleptons, chargeino y gluino) de partículas conocidas están expuestos a una interacción nuclear electromagnética o fuerte. Por razones técnicas, la mayoría (pero no todos) los expertos en física de partículas prefieren modelos en los que neutralino sirve como el súper socio más ligero. Puede ser un excelente candidato para una partícula de materia oscura, lo cual es un argumento a favor de la Asunción 2. Pero incluso si el neutrino resulta ser el más ligero, el argumento a favor de encontrar chorros y energía faltante sigue siendo casi el mismo, con algunos cambios menores.

Y finalmente, la Asunción 3 sugiere que obtener calabaza y gluino es fácil y que son relativamente pesados. Esto significa que explotan con una energía relativamente alta; La energía y el impulso que llevan los quarks y los neutralos en los que se descomponen son geniales. Los chorros resultantes llevarán altas energías, y la energía faltante será grande.

Por lo tanto, espero que puedan entender la idea en las Figuras 3, 4 y 5. Si la supersimetría es verdadera, entonces, lógicamente, obtendremos escuadrones pesados ​​y gluino; se descompondrán en quarks y neutrales de alta energía; Los quarks se manifestarán en forma de chorros de alta energía que son fáciles de detectar, y la presencia de un neutralino, que no detectaremos, se derivará del desequilibrio del impulso de los chorros.

Bueno, buscaremos y lo encontraremos o no. Que sigue

Por lo tanto, si vemos una gran cantidad de colisiones con chorros de altas energías y energía faltante, entonces esto es genial; quizás descubrimos la supersimetría. Sin embargo, una ADVERTENCIA: otros tipos de fenómenos nuevos pueden crear eventos similares: puede llevar años, y se requerirá mucho trabajo antes de comenzar a ganar confianza de que hemos encontrado supersimetría o de que hemos encontrado algo algo nuevo que solo parece supersimetría a primera vista. Solo que veremos algo como el arroz. 5 no significará que hemos recibido lo que se muestra en la fig. 3!

Pero si no vemos un exceso de tales eventos, ¿significará esto que la supersimetría definitivamente no es una propiedad de la naturaleza? Antes de llegar a conclusiones existenciales de gran alcance sobre el Universo basadas en la interpretación del resultado del experimento, debemos preguntarnos qué podría haber salido mal con los tres supuestos enumerados (o con un par de no tan importantes que no di aquí). Ya te dije algo sobre lo que podría salir mal, y aunque no voy a entrar en esto, puedes ver por ti mismo que si no encontramos tales eventos, entonces todo lo que podemos concluir de esto:

• o la supersimetría no es una propiedad de la naturaleza,
• o la supersimetría es una propiedad de la naturaleza, pero algo está mal con uno de los tres supuestos.