Supersimetría… ¿ande andas?


La supersimetría no aparece por ningún sitio. Esto es algo inquietante para los físicos, al menos para mí, por varios motivos. En esta entrada vamos a encontrarnos con estos motivos, con el origen y significado de la supersimetría y con la pregunta de qué pasará si no encontramos pruebas de dicha simetría.

El caso es, en mi opinión, que si la naturaleza ha decidido no usar esta simetría debería de reconsiderarlo.

La idea de la supersimetría

Se llama supersimetría a la hipotética relación que existen entre bosones y fermiones.  En la naturaleza encontramos que las partículas tiene una característica denominada espín. Este espín puede tomar valores enteros y semienteros. La diferencia entre bosones y fermiones es que los bosones son las partículas de espín entero y los fermiones las partículas de espín semientero (entrada: Bosones y Fermiones esos famosos desconocidos).

La supersimetría nos dice que todo bosón/fermión tiene asociado un fermión/bosón.

Si quieres ver una deducción formal (pero creo que facilita) sobre esta relación: Supersimetría en acción.

El problema es que la supersimetría, aplicada tal cual se define, nos dice que por cada bosón/fermión deberíamos de encontrar un fermión/bosón con exactamente la misma masa.  Y esto no es lo que vemos a nuestro alrededor, nosostros conocemos los electrones (que es un fermión) pero no encontramos ningún bosón de la misma masa que el electrón asociado con él por una transformación supersimétrica.

Así que nos encontramos en la siguiente situación:

  • La supersimetría nos obliga a aceptar que tenemos el doble de partículas fundamentales que las que conocemos.

  • Estas partículas compañeras supersimétricas de las usuales no se han visto. Esto quiere decir que sus masas no son iguales, las partículas supersimétricas tienen que ser mucho más pesadas que las usuales y por eso aún no se han producido en los aceleradores.

Los físicos se refieren a esto con el término “rotura de la simetría”. De algún modo, una simetría que debería de estar presente, (y que se notaría porque tendríamos pares bosón/fermión relacionados por supersimetría y de la misma masa), no lo está y como consecuencia los miembros supersimétricos del par son de una masa mucho mayor que las partículas usuales.

Origen y necesidad de la supersimetría

Originalmente la supersimetría se introdujo en física porque en las primeras versiones de la teoría de cuerdas únicamente se podían describir bosones. Esto no está nada bien para una teoría que pretende describir nuestra física ya que sabemos que los fermiones están entre nosotros y abundantemente.  Entonces, al introducir la supersimetría la teoría de cuerdas pudo dar cabida tanto a bosones como a fermiones y como efecto colateral el número de dimensiones en las que la teoría de cuerdas era consistente bajó de 26 a 10.

Pero la supersimetría no es exclusiva de la teoría de cuerdas, hoy día hay muchos modelos no cuerderos que la emplean. Valgan como ejemplo:

  1. La supersimetría nos ayuda a entender los efectos de mezcla y las masas de los fermiones y los neutrinos. De hecho hay cálculos en modelos supersimétricos en teoría de gran unificación que nos dicen que el neutrino ha de tener una masa $10^{-2}$eV.
  2. Partículas supersimétricas pueden ser las que conformen la materia oscura.
  3. El cálculo de la constante cosmológica en teoría cuántica de campos con supersimetría pudiera explicar qué es eso de la energía oscura y por qué su densidad es positiva y muy cercana a cero.
  4. En teoría cuántica de campos la supersimetría explicaría por qué el Higgs tiene una masa bajita a pesar de que lo que se esperaría sería una masa muy, muy alta. (Hablamos de esto en: Jerarquías, dimensiones y radones. Segunda entrega)

La supersimetría no es un elemento que queramos imponer al universo porque nuestras teorías quedan bonitas. Es que sería muy difícil entender por qué esta simetría de las leyes físicas no se ha realizado en la naturaleza. Generalmente, hasta la fecha, se ha verificado eso de “Si algo no está totalmente prohibido entonces seguro que ocurre”.

Los problemas con la supersimetría

Los problemas con esta simetría se pueden establecer en:

Aún no la hemos visto

A pesar de todos los esfuerzos, aún no hay confirmación experimental de las partículas supersimétricas.  Esto quiere decir que de existir tales partículas la más ligera de las mismas tiene una masa superior a la energía que se están produciendo en las colisiones de partículas actualmente en el LHC.

Si la supersimetría no se viera en el LHC cuando se incremente su energía no podríamos excluirla del todo, aunque quedaría muy mal parada. Cada vez existen más cotas indirectas de la masa que deberían de tener las partículas supersimétricas y, se supone, que el LHC debería de ver algo.

Los leptones y los bariones no se conservan

En el modelo estándar los leptones (partículas que no sienten la interacción fuerte) y los bariones (partículas que sí sienten dicha interacción y están formadas por tres quarks) se conservan. Es decir, que si en una colisión empezamos con un número de leptones y de bariones el resultado final contendrá los mismos números de estas clases de partículas. (Para la definición de número leptónico y bariónico: Partícula que bien te conservas).

Al introducir supersimetría esta característica se pierde. Esto es potencialmente peligroso porque gracias a la conservación del número bariónico sabemos que el protón (que es un barión) es estable ya que no hay ningún barión de menor masa al que pueda decaer.  Pero si el número bariónico no se conserva el protón puede decaer a otro tipo de partículas. Sin embargo, las medidas experimentales sobre la vida media del protón imponen cotas muy fuertes a este comportamiento (la vida del protón es comparable a la edad del universo).

¿Cómo se rompe la supersimetría?

El problema de que no veamos partículas supersimétricas de las usuales se resuelve diciendo que la supersimetría está rota. Entonces tenemos que responder la pregunta acerca de qué rompe esta simetría. Hay dos posibilidades, o es por efectos gravitatorios o es por efectos no-gravitatorios.

Pero tenemos cuestiones por resolver, si la cosa se rompe gravitatoriamente entonces tenemos problemas para explicar la rotura de simetría CP. Esta es la responsable de que la materia domine sobre la antimateria en nuestro universo y cada vez está mejor entendida y estudiada experimentalmente, lo cual también acota la supersimetría. Si la rotura es no-gravitatoria podemos solventar el problema de la simetría CP (y de otros relacionados) pero entonces habría problemas con el valor predicho para la constante cosmológica.

Pesadilla en Higgs Street

Actualmente podemos decir que tenemos una partícula de Higgs. Esto es bueno porque confirma la teoría pero tiene puntos malos:

a) Si no encontramos nada más estaremos en problemas en física porque no habrá forma de entender por qué no hay nada más y por qué el modelo estándar funciona tan bien aunque no se considere una teoría final.

b)  No encontrar supersimetría implicaría que no entenderíamos por qué el Higgs (y las partículas que adquieren masa con él) es tan ligero comparado con la masa de Planck. Tenemos otros modelos, por ejemplo dimensiones extra o modelos tecnicolor. Pero ni hemos visto dimensiones extra más allá de las usuales y el resto de modelos están casi completamente descartados por el experimento.

Sinceramente espero que se encuentre algo más en el LHC o será difícil construir un acelerador mayor y por tanto más costoso. Además de estar en muchos problemas para descubrir qué es la energía y la materia oscura.  Espero que la supersimetría aparezca, y esto solo es un deseo personal, porque es una simetría elegante que haría que nuestro entendimiento de la naturaleza fuera elegante y más completo.

Referencias

Physicistis’ nightmare scenario: The Higgs and nothing else

Un artículo divulgativo, en inglés, donde se tratan los temas asociados a encontrar únicamente el Higgs del modelo estándar en el LHC.

Supersymmetry and other scenarios

Conferencia semidivulgativa de E. Witten sobre la supersimetría sus bondades y sus defectos.

Hoy me dio por ser honesto

Entrada del blog en las que discutimos algunos aspectos mencionados en esta ocasión.

Nos seguimos leyendo…

 

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15 Respuestas a “Supersimetría… ¿ande andas?

  1. Pingback: Anónimo

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  3. Bueno, no aparece porque no la quieren ver. Una pista mainstream es que Alain Connes se vio forzado a usar D=10 mod 2 en sus modelos de particulas, y esa dimension es una de las pocas que ofrece (vease los trabajos de Evans sobre triality) coincidencias entre numero de fermiones y numero de bosones; no obstante ni Alain ni ningun NCG han encontrado como explotar esta dimensionalidad.

    Otra pista más exotica -de mi propia fábrica- podria llegar si al final el Higgs es compuesto y eso justifica algun modelo donde los bosones de la supersimetria, los squarks y sleptones que dices, sean compuestos tambien. Porque aqui hay una curiosa coincidencia: con cinco quarks (u,d,s,c,b) uno puede construir exactamente el mismo numero de mesones que harian falta para tres generaciones de sleptons, y el mismo numero de diquarks que corresponderian a tres generaciones de squarks. O con cinco preones que tuvieran la misma carga que esos cinco quarks. Ello podria explicar de paso por qué hay tres generaciones de particulas y por qué un quark es más pesado que los demas.

    Esta semana Connes ha dado un pasito adelante descubriendo que puede interpretar cierta condicion de su teoria como la existencia, para romper Pati-Salam, de un higgs compuesto, pero no de fermiones sino del higgs electrodebil. Pero curiosamente, la ecuacion que relaciona estos dos campos de higgs tiene una forma muy similar a la que relaciona el higgs electrodebil con el operador de Dirac de los fermiones.

    • The answer sipmly isn’t known; but all evidence from theoretical considerations suggests that these properties are indeed contingent. There is nothing about the laws of nature that seems to require that the elementary particle masses and the strengths of the elementary forces take the values that they do. If you look at the equations we use for nature, and you imagine changing the masses of the quarks and electrons and the strengths of the strong nuclear and electromagnetic forces, you will find that doing so does not make our equations behave any worse or better than they normally do; they describe a different world than ours, but one that seems just as sensible. And if the particle masses and/or strengths of forces were different, then not only would the properties of iron and silicon be different, but in some cases either or both atoms might not exist at all [because their nuclei are then unstable.] So as far as we can tell at the moment, there appears to be something quite contingent about the specific properties of our universe. It is possible, of course, that this appearance is misleading. The only way forward is to learn more from experiments.

  4. Muy interesante. Por favor, ¿podrías explicar esto más detalladamente? Gracias.

    “si la cosa se rompe gravitatoriamente entonces tenemos problemas para explicar la rotura de simetría CP. […] Si la rotura es no-gravitatoria […] habría problemas con el valor predicho para la constante cosmológica.”

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  8. Uf, cada vez que leo una de estas entradas se me queda una sensación de vértigo en el estómago… Sólo pensar en lo que queda por saber y por descubrir y que seguramente no estaremos aquí para verlo, me entra la crisis existencial.

  9. #dudasdenovato
    Si las partículas simetricas equivalentes a las que ya conocemos tuvieran mucha mas masa, no dejarian de ser simetricas por tener masa diferente? Entonces, no quedaría descartada ya la teoria sueprsimetrica? O acaso los dos problemas (gravitacional o no gravitacional) podrían estar involucrados en ese cambio de masa? Es decir, existen partículas supersimetricas pero la simetría esta distorsionada?
    Por lo demás, muy interesante post, descubrir supersimetria seria un buen paso para reforzar y pulir la teoría de cuerdas que tanto ansío aunque no tanto comprendo xD

    • No, que tengan mucha más masa aunque deberían de tener la misma significa que hay algún mecanismo que sube dicha masa.

      Es como lo del Higgs, hay partículas que no deberían de tener masa y sin embargo sí la tienen. Eso significa que hay algo que le tiene que dar masa, en ese caso el Higgs.

      Lo que implica eso es que no veríamos la simetría restaurada hasta llegar a cierta energía. Es justo lo que dices, si encontráramos las superpartículas nos diría que existe la supersimetría pero que a nuestra escala de energía está distorsionada y no la vemos explícitamente.

      • El Higgs no es una partícula; el Higgs es un mecanismo, que hasta ahora no se conoce, ni se ha demostrado experimentalmente que lo realice ninguna partícula. Y el que entienda ese mecanismo teórico, sabe de sobra, que de existir, ninguno de nosotros podrá verlo demostrado. Pero, de todos modos entiendo que hasta que no pasen unos anos y comiencen las normales frustraciones de siempre, los fanáticos no entenderán lo que les digo. ¿Puedes darnos las fuentes oficiales donde se dice que se ha encontrado al menos un Higgs? Lo que existen son muchos modelos y variantes teóricas de Higgses, donde se ha cubierto todas las posibilidades lógicas, todo el espectro lógico posible, todo el ancho de banda teórico. Esto es lo mismo que pasa con las cuerdas y las supersimetría; así es que después se llenan la boca en decirle al estudiante que se predicen cosas desde las físicas-matemáticas, ignorando la realidad histórica de los hechos y concentrándolos solo en el acierto didactizado. Que no es más que la probabilidad de 100 retazos de teorías/ sobre cientos de las mismas variantes teóricas, de cientos de científicos sobre es mismo eslogan. Debería explicársele al estudiante que las preediciones teóricas realmente son el camino de las probabilidades ceros. Hay que explicarle esa realidad y decirles que lo necesitamos es imaginación experimental, para que aparezcan los sencillos, he ingeniosos experimentos que siempre nos han aclarado las ideas físicas que no entendíamos. Esas son las cacareadas preediciones de que tantos alardean y confunden al iniciado. Como la supuesta preedición teórica de Dirac de las antipartículas; que lleva al estudiante a pensar que no necesita hacer física en los laboratorios, con las manos; ya que la puede entender la frustrante naturaleza, con un lápiz y un papel. De esa confusión salen, las millones de cosas supuestas, que nunca se encuentran y el enorme volumen de metafísicos-matemáticos actuales que actúan con una sicología de grupo, estilo religión y que no permiten que le lleguen recursos a la disidencia física. Lo que al final, es como una religión o pseudociencia que corre sus fronteras con cada experimentos, manteniéndose al margen o en la zona de las dudas física. Dios esta en el cielo, cuando llegas al cielo y no lo vez, lo pones en el borde del sistema solar, después en el de la galaxia,… y por ultimo como causa del Big Bang; porque la física es causa y efecto también, determinismo en ultima instancia. Los monopolos de Dirac; la mas bella y lógica teoría metafísica-matemática jamás concebida, pero como ya no existe un rincón del micromundo real terrestre donde búscalos; y para no darse por vencidos, los mandan al especulativo modelo del Big Bang; que por especulativo, aguanta todo los abortos físicos posibles. Es como el paraíso y el infierno, lo recibe todo. Es la papelera del reciclaje físico por excelencia.
        http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/11/htm/sec_31.html
        Ya es hora de aprender las verdaderas lecciones históricas de las investigaciones físicas, de dejarnos de deseos ilusos, o guiones cliché para motivar al estudiante y de la caricatura que nos presentan en la facultad como el camino de los resultados físicos demostrados. La naturaleza es más simple y por tanto más sabia; no necesita monopolos para que las partículas, que además de masa, carga, espin, tiempos de vida (como caracterizas de su estructura interna y estabilidad temporal) y campo eléctrico en su interior: tengan campo magnético. Lo mismo que no necesita tantas dimensiones, ni partículas supersimétrica. Ahí lo que hay es una confusión entre metafísica-matemática (estilo monopolos de Dirac) y física.
        Lo mismo con la partícula del CERN, recortan pedazos de cada modelo y se lo adaptan a la partícula que se encontró. Es eso preedición; de serlo, es bien mala y confusa. Ya que basta con aumentar las energías de choque y estoy seguro que como siempre ha ocurrido, dentro de miles de millones de eventos, y de modos de desintegración, se podrá predecir indirectamente la existencia de alguna estructura inestable casi casual. Entonces para que tanta metafísica-matemática insustancial. ¿Que sentido tiene tanta arrogancia y propaganda intelectual sobre nuestra sapiencia predictiva? Después se pueden predecir indirectamente también, algunas de sus propiedades, pero nunca demostrar que son parte del mecanismo que aporta la loca distribución de masa del resto de las partículas. Que es lo que en realidad, esta en el fondo de tanto desespero físico y que se resuelve con solo conocer que tiene el electrón adentro. En crear un modelo, que ponga todas las propiedades mencionadas, en ese solo ente. Es decir la ajustan, por retazos, de retazos teóricos, de forma forzada. De ahí el susto que tienen sus fanáticos con la baja masa de esa partícula, y los cientos de descabellados parches ya propuestos, un desastre desesperado. Me pregunto miles de veces: ¿tienen idea de que cosa es lo natural? De ahí la propaganda y los esfuerzos de los fanáticos ciegos al Higgs, para convencer al populacho científico de que encontraron el Higgs. Pero como ya no encuentran las palabras, como ya se le les acabó la persuasión, la imaginación divulgativa, y como los que dan el dinero no quieren abrir la mano; dicen que las explicaciones del mecanismo de Higgs solo pueden ser entendidas por unos pocos teóricos. El asunto, es que están en un nefasto dilema; ya que los tóricos no dan fondos (son pobres) y los que dan fondos, no están convencidos que los argumentos y lavadas de cerebros desesperadas que intentan hacernos sus acólitos; no sean mas deseos, que realidad física. Yo los entiendo, todos los centros de investigación necesitan ese dinero por igual; sino muchos científicos irán al paro o a hacer ingeniería y ciencia productiva, que es lo que no nos gusta hacer, porque no nacimos para eso. Así, que la propaganda puede hacer su parte en el destino de esos fondos; pero con el problema que se van a encontrar: es que la física sigue siendo realidad y no deseos.

        • El Higgs no es una partícula; el Higgs es un mecanismo

          El bosón de Higgs es una partícula que surge en el mecanismo de Higgs.

          ni se ha demostrado experimentalmente que lo realice ninguna partícula. Y el que entienda ese mecanismo teórico, sabe de sobra, que de existir, ninguno de nosotros podrá verlo demostrado.

          En el LHC ya se ha encontrado el bosón de Higgs, lo que confirma su mecanismo.

          ¿Puedes darnos las fuentes oficiales donde se dice que se ha encontrado al menos un Higgs? Lo que existen son muchos modelos y variantes teóricas de Higgses, donde se ha cubierto todas las posibilidades lógicas, todo el espectro lógico posible, todo el ancho de banda teórico.

          Bueno, en la página oficial del CERN tienes todos los comunicados y artículos que dicen que han encontrado el Higgs predicho por el modelo estándar. La significancia estadística del resultado está fuera de toda duda, pero además, como los físicos son gente prudente están a la espera de nuevas comprobaciones.

          ¿Hay muchos modelos? Sí
          ¿Sabe el experimento de estos modelos? No.
          ¿Se ha obtenido algo predicho por algún modelo? Sí, lo predicho por el modelo estándar.

          Esa es la situación.

          Como la supuesta preedición teórica de Dirac de las antipartículas; que lleva al estudiante a pensar que no necesita hacer física en los laboratorios, con las manos; ya que la puede entender la frustrante naturaleza, con un lápiz y un papel.

          Eso que dices es incorrecto, porque justo de decirte que Dirac encontró teóricamente la antimateria luego te dicen que poco depues Anderson la encontró experimentalmente. La física es una ciencia experimental y así se le dice a los alumnos hasta la saciedad. En fin.

        • Lo poco que puedo yo entender y deducir de todo esto es que en el LHC se trabaja para encontrar y encajar esta particula de Higgs en uno de los muchos modelos propuestos lo mas precisamente posible, de ahi el “hemso encontrado algo”, mas tarde “parece que es el higgs”, luego “parece que es el higgs que se predice en el modelo estandar”

          Ya de lo demás, ni papa. Tambien entiendo que el termino particula, fuerza, onda, corpusculo y esas cosas son nombres que le hemos puesto a cosas diferentes, interpretarlo es cosa de cada uno, pero bueno, para eso estamos aqui, para estandarizar terminos.

          A mi si me dices que el Higgs es una pelota que está dentro de pelotas mas pequeñas intercambiandose con otras pelotitas para atraerse entre si, y que el Higgs es mas grande que las pelotas entre las que se intercambia, pues me hago la picha un lio, porque algo mas grande no peude entrar en algo mas pequeño a menos que seas la Tardis de Dr. Who, pero si me comentas que las pelotas son solo representaciones de su masa, carga o fuerza de interacción, ya es otra cosa.

          Asi l oveo yo, es todo terminologia, y en el LHC se intenta acotar lo encontrado en una de las teorías existentes.

    • Adrian, en efecto, la simetria estaria muy rota. La esperanza que tienen los que tiran de esos modelos es aprovechar el grupo de renormalizacion para que no este tan rota a la escala de gran unificacion, y que alli se pueda aplicar algun modelo de ruptura de susy de los que tienen en el catalogo. Naturalmente, es raro que el grupo de renormalizacion te haga tal favor para todo el espectro, y por eso (y por que querian que la cosa se acoplara bien al higgs) es por lo que todos esperaban encontrar particulas susy a la escala del LHC, aunque no hubieran encontrado ninguna a la escala hadronica.

      Por supuesto :-), el modelo de mi anterior comentario soluciona el problema de una manera radicalmente distinta… porque los mesones y diquarks sí que estan en la escala hadronica.

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