Supercosas


En esta entrada vamos a hablar de la supersimetría.  El objetivo es presentar este tema a un nivel conceptual y asequible, presentando su origen, su motivación,  su utilidad.

También queremos dar nuestra opinión sobre la pregunta ¿Qué pasa si no se encuentra la supersimetría?

La cuestión es muy interesante, tanto desde el punto de vista de la física como desde el punto de vista de la historia de la ciencia.  Queremos insistir en que vamos a dar nuestra opinión personal y que no tiene por qué ser la correcta ni la acertada.  Si alguno tiene otra opinión estaremos encantados de conocerla y debatirla.

¿Qué es la supersimetría?

Como ya hemos comentado en alguna ocasión las partículas tienen una característica denominada espín.  Gracias a esta propiedad podemos clasificar las partículas en:

– Bosones –> Partículas de espín entero.

– Fermiones –> Partículas de espín semientero.

La supersimetría nos viene a decir que dado un bosón siempre existe un fermión asociado, lo que se llama la partícula supercompañera.  Y viceversa, dado un fermión siempre existe un supercompañero bosónico asociado.

Esto se llama una simetría porque si tenemos una teoría tal que se dice supersimétrica, dicha teoría ha de quedar exactamente igual si cambiamos cada partícula por su compañera supersimétrica (es decir, cambiar fermiones por bosones y viceversa).

Está claro que esto no es así en nuestro mundo.  Nosotros vemos partículas pero no hemos visto ningún compañero supersimétrico de ninguna partícula.  Esto es un problema, porque si la naturaleza es simétrica frente a transformaciones de bosones y fermiones (compañeros supersimétricos), es decir, si la naturaleza es invariante bajo transformaciones de supersimetría, dos compañeros supersimétricos han de tener la misma masa.

Por lo tanto, deberíamos de ver electrones y s-electrones (el compañero supersimétrico del electrón que tendría un espín entero y sería un bosón) y así con todas estas partículas compañeras.

Dado que no las vemos hemos de pensar que la naturaleza ha roto esta simetría.  Cuando un físico dice que la naturaleza es simétrica bajo una transformación pero que la simetría se ha roto lo que quiere decir es que a determinada energía la naturaleza ha sufrido un cambio que hace que algunas partículas se hacen ligeras y otras muy masivas.  Por lo tanto, se dice que la supersimetría está rota y que las partículas supersimétricas de las partículas que vemos a nuestro alrededor tienen una masa muy elevada.  Eso quiere decir que para ver las partículas supersimétricas hemos de producirlas en colisiones de muy alta energía.  Con dicha energía se pueden crear partículas de masa elevada y si vemos las superpartículas significa que la supersimetría existe.  Esto se está buscando en el LHC actualmente.

¿Por qué gusta tanto la supersimetría?

Cuestión de cuerdas:

La supersimetría aparece originalmente en la teoría de cuerdas.  Esta teoría que nos dice que las partículas en realidad son estados de vibración de diminutos filamentos de energía originalmente tenía un problema.  El problema es que sólo describía bosones (estados de la cuerda que correspondían a partículas de espín entero).  Está claro que eso no es nada bueno porque en nuestro universo tenemos fermiones.

La cuestión se solucionó cuando los físicos se dieron cuenta de que podían encontrar fermiones en la cuerda si introducían la supersimetría.  Esto fue muy bueno, la teoría de cuerdas original se tenía que formular en 26 dimensiones para que fuera consistente, (esto quiere decir para que se satisficieran las leyes de conservación y las leyes de la relatividad especial), pero al introducir la supersimetría sólo eran necesarias 10 dimensiones para que la teoría de cuerdas fuera consistente (a partir de ahí llamada de supercuerdas por razones obvias) .

Así que la supersimetría parece ser un ingrediente esencial para la consistencia de la teoría de cuerdas.

Cuestión de unificación:

Resulta que las interacciones entre partículas (las no gravitatorias son el electromagnetismo, la interacción débil y la interacción débil) tienen diferentes intensidades.  Esto, como ya hemos comentado viene reflejado por los diferentes valores que toman unos parámetros denominados constantes de acoplo.

Sin embargo, en los experimentos con aceleradores se encontró (y teóricamente también) que dichas constantes de acoplo varían su valor con la energía.  Es decir, dichas constantes de acoplo (el nombre constante por lo tanto no es muy acertado) tienen un valor distinto para cada energía.  Evidentemente el cambio de dichos valores no es muy significativo para las energías a las que nos movemos en nuestra vida y sólo se hace patente este cambio en energías muy muy elevadas.

Pero lo curioso es que los valores de las tres constantes de acoplo (electromagnética \alpha, débil \alpha_w y fuerte \alpha_s) parece que convergen a un mismo valor.  Esto es extraordinario porque indica que estas tres interacciones tienen exactamente la misma intensidad y por tanto han de ser la misma interacción o estar descrita por una única teoría.  De aquí procede en gran parte la idea de que las interacciones han de estar unificadas a partir de cierta energía.

Desgraciadamente esta idea, muy sugestiva, estaba errada.  Las constantes ciertamente varían su valor, pero no convergen a un único punto.  Las medidas experimentales nos dice que su evolución es:

Pero aquí viene la supersimetría al rescate.  Si asumimos que las naturaleza es supersimétrica ocurre que (teóricamente) las constantes si convergen a un único valor y por tanto la unificación podría ser posible:

Cuestiones del Higgs:

Todo el mundo está sobreexcitado con la búsqueda y posible existencia del Higgs. Encontrar esta partícula es muy importante porque su existencia implica que podemos entender por qué las partículas tienen masa (no es la única forma de explicar la masa de las partículas, pero posiblemente sea la más fácil de entender y por tanto la más popular).

Pero resulta que el Higgs puede ser una partícula ligera (y esto significa que tiene una energía que podemos llegar a ella en el LHC).  Si lo encontramos en el LHC sin duda el Higgs es ligero.  Pero esto plantea otra problemática.

Resulta que cuando uno calcula la masa del Higgs le aparece una masa muy muy elevada.  Pero si el Higgs tiene una masa muy muy elevada nuestra física está en un problema que se llama el problema de la jerarquía.

Nosotros hemos sido capaces de mirar cosas hasta la energía débil (más concretamente electrodébil, en la figura weak scale).

Resulta que para que nuestra física sea consistente el Higgs ha de tener una energía en esta escala débil, (se piensa que el Higgs tiene que estar entre 100 y 200GeV).

Sin embargo, el Higgs en los modelos teóricos originales prefiere tener otra masa situada en la escala de Planck.  Esto es un problema principalmente porque implicaría que entre la escala débil y la escala de Planck no hay nada nuevo, se denomina el desierto de partículas.

Ahora bien, si uno introduce la supersimetría ocurre una cosa interesante, la contribución energética (correspondiente a la masa) que adquiere el Higgs directamente de la escala de Planck se cancela porque los bosones y los fermiones tienen energías que se cancelan entre sí.  Entonces, gracias a la supersimetría podemos explicar por qué el Higgs tiene una masa ligera (del orden de la escala débil) y no es una partícula muy gorda (del orden de la escala de Planck).

¿Qué pasa si la supersimetría no existe?

Actualmente se está buscando supersimetría (partículas supersimétricas compañeras de las partículas usuales)  en el LHC pero todo parece indicar que no está donde debería de estar.  Está claro que aún falta mucho trabajo de análisis de las reacciones y colisiones en el LHC, pero ya se debería de haber visto una partícula llamada gluino (el compañero del gluón, que es el bosón que transmite la interacción fuerte) por lo menos.  La gente está expectante y un poco desilusionada.  Las opciones son que o bien LHC ve supersimetría o la supersimetría será descartada si no aparece.

Pero de no aparecer tendremos tres efectos inmediatos:

–  La teoría de cuerdas (supercuerdas) quedaría ciertamente lastimada como modelo de la realidad ya que uno de sus ingredientes fundamentales estaría en entredicho.

–  La unificación de las interacciones dejaría de tener un sentido, las constantes de acoplo no se hacen iguales.

–  De encontrar el Higgs deberíamos de explicar de una forma alternativa por qué tiene una masa tan baja.

El caso es que de no encontrar supersimetría siempre se puede decir que aparecería a energía más alta.  Pero ya queda poco margen para emplear este argumento, las constricciones experimentales cada vez son más fuertes y LHC debería de ver sí o sí supersimetría.  De no verse en el LHC la supersimetría perdería toda su fuerza.

Entonces empezaríamos a vivir una crisis en la física, una época fascinante donde se debería de buscar una idea nueva, o ideas nuevas, se debería de encontrar una nueva forma de hacer física.  Es manifiesto que las ideas provinientes de supersimetría y supercuerdas han dominado la física teórica durante los últimos 25 años.  Entonces la física debería de tener un golpe de timón fuerte y reorientar los esfuerzos de los teóricos.

Esperamos que os haya gustado esta superentrada.

Nos seguimos leyendo…

Esta entrada se presenta a la XXIII edición del Carnaval de la Física que este mes está hospedado en Astrofísica y Física.

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7 Respuestas a “Supercosas

  1. Muchas felicidades por el blog. Estas haciendo una labor intelectual muy importante, explicando con nociones muy accesibles alguno de los aspectos mas importantes de la fisica contemporanea. Saludos. 😉

  2. Pingback: Supersimetría en acción | Cuentos Cuánticos

  3. Pingback: Arrojando luz sobre la materia oscura II | Cuentos Cuánticos

  4. Yo creo que las prisas y precipitaciones por dar resultados o publicar indicios tiene algo que ver con el Tevatron (que también está precipitándose en sus declaraciones y publicaciones) y la enorme competencia entre ambos por el honor de ser los primeros en detectar el Higgs.
    Supongo que la situación se irá relajando y normalizando en los próximos años con el cierre del Tevatron. La competencia es buena en todo menos en ciencia.

    • La verdad es que concuerdo en qué se están precipitando en aportar información. Yo sí creo que la competencia es buena en la ciencia, pero de una forma sana, no como se esta realizando aquí, donde todos tratan de dar explicaciones muy pequeñas de resultados muy particulares de algo que es muy grande.

      No soy físico, como he comentado varias veces, pero tengo la sensación de que muchos de los resultados que se filtran o anuncian, no han sido evaluados con detenimiento por parte de los comités, que parecen querer estar a la cabeza sin medir, a veces, las consecuencias. De hecho me da la impresión de que es una actitud nerviosa ante la posibilidad de que la sociedad científica tenga que replantearse conceptos teóricos básicos si no se encuentran los indicios esperados. Es sólo una impresión, pero por ejemplo recordemos como hace un mes y poco se “filtró” las primeras pesquisas sobre la detección del Higgs y ahora lo estamos “acorralando” por que no aparece por ningún lado.

      Me parece muy excitante esta época en la que vivimos por que, sea para bien o para mal, nos está tocando poner toda la teoría a prueba, muchas veces con resultados inesperados.

      Por cierto, genial el artículo, otra vez. Como sigáis así, me dejo la Biología y me meto a Físico!

  5. Soy Maraxus

    ¿Y si encontramos el Higgs en el rango de los +-120 MeV y no encontramos supersimetria?, ¿que significaría?.

    De todos modos al LHC le queda muchísima física aún, ¿no?, tiene capacidad para incluso duplicar la energía de las colisones, ¿es posible que la supersimetria no de la cara hasta entonces?

    • Si encontramos un Higgs ligero y no encontramos supersimetría tendríamos que encontrar una razón de por qué el Higgs no tiene una masa muy superior. La supersimetría ayuda a entender por qué el Higgs no tiene una masa comparable a la escala de Planck. De no existir supersimetría y sí el Higgs estaríamos ante un problema teórico muy interesante.

      Y en efecto, el LHC tiene mucho que decir, sin duda tienen que hacerse y analizarse muchas colisiones y luego dar resultados. A mí me parece que eso de que a cada cosa que hagan lo publiciten no está ayudando mucho, da la sensación de que se dan palos de ciego (en realidad se dan pero con conocimiento). Lo que no se puede es dar informaciones y contrainformaciones porque entonces los que ponen el dinero pueden creer que no saben lo que están haciendo. Así que lo más lógico es esperar del orden de 2 a 3 años y luego poner sobre la mesa estudios pormenorizados de todas estas cosas. Lo que es evidente es que aún no se ha encontrado nada más allá del modelo estándar, lo cual es interesante y desesperanzador al mismo tiempo.

      Un saludo.

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