En la Gran Teoría Unificada de la Física de Partículas (GUT), el desierto se refiere a una brecha teorizada en las escalas de energía, entre aproximadamente la escala de energía electrodébil –convencionalmente definida aproximadamente como el valor esperado del vacío o VeV del campo de Higgs (alrededor de 246 GeV )– y la escala GUT , en la que no aparecen interacciones desconocidas.
También se puede describir como una brecha en las longitudes involucradas, sin nueva física por debajo de 10 −18 m (la escala de longitud actualmente investigada) y por encima de 10 −31 m (la escala de longitud GUT).
La idea del desierto fue motivada por la observación de una unificación aproximada, de orden de magnitud, del acoplamiento de calibres en la escala GUT. Cuando los valores de las constantes de acoplamiento de calibre de las fuerzas nuclear débil, nuclear fuerte y electromagnética se trazan como una función de la energía, los 3 valores parecen casi converger a un valor único común a energías muy altas. Esta fue una motivación teórica para las propias Teorías de la Gran Unificación, y agregar nuevas interacciones en cualquier escala de energía intermedia generalmente interrumpe esta unificación del acoplamiento de calibres. La disrupción surge de los nuevos campos cuánticos (las nuevas fuerzas y partículas) que introducen nuevas constantes de acoplamiento y nuevas interacciones que modifican las constantes de acoplamiento existentes del Modelo Estándar a energías más altas. Sin embargo, el hecho de que la convergencia en el Modelo Estándar sea en realidad inexacta es uno de los argumentos teóricos clave contra el Desierto, ya que para que la unificación sea exacta se requiere nueva física por debajo de la escala GUT .
Todas las partículas del modelo estándar se descubrieron muy por debajo de la escala de energía de aproximadamente 10 12 eV o 1 TeV. La partícula más pesada del modelo estándar es el quark top , con una masa de aproximadamente 173 GeV.
Por encima de estas energías, la teoría del desierto predice que no se descubrirán partículas hasta alcanzar la escala de aproximadamente 10 25 eV [ ¿por qué? ] . Según la teoría, las mediciones de la física a escala TeV en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y el futuro cercano Colisionador Lineal Internacional (ILC) permitirán la extrapolación hasta la escala GUT [ cita necesaria ] .
La implicación negativa del desierto de partículas es que la física experimental simplemente no tendrá nada más fundamental que descubrir durante un período de tiempo muy largo. Dependiendo de la tasa de aumento de las energías experimentales , este período podría ser de cien años o más. Presumiblemente, incluso si la energía alcanzada en el LHC, ~ 10 13 eV, se incrementara hasta en 12 órdenes de magnitud, esto sólo daría como resultado la producción de cantidades más copiosas de las partículas conocidas hoy en día, sin que se investigue ninguna estructura subyacente. El lapso de tiempo antes mencionado podría acortarse observando la escala GUT a través de un desarrollo radical en la física de aceleradores , o mediante una tecnología de observación sin aceleradores, como el examen de eventos de rayos cósmicos de energía tremendamente alta , u otra tecnología aún no desarrollada.
Las alternativas al desierto exhiben partículas e interacciones que se desarrollan cada pocos órdenes de magnitud en la escala de energía.
Con el modelo estándar mínimo supersimétrico , el ajuste de los parámetros puede hacer que la gran unificación sea exacta. Esta unificación no es única.
Esta unificación exacta de calibres es una característica genérica de los modelos supersimétricos y sigue siendo una motivación teórica importante para desarrollarlos. Estos modelos introducen automáticamente nuevas partículas (" supercompañeros ") en una nueva escala de energía asociada con la ruptura de la nueva simetría, descartando el desierto energético convencional. Sin embargo, pueden contener un "desierto" análogo entre la nueva escala energética y la escala GUT.
Escenarios como el modelo Katoptron también pueden conducir a una unificación exacta después de un desierto energético similar. Si las masas conocidas de los neutrinos se deben a un mecanismo de balancín , los nuevos estados de neutrinos pesados deben tener masas por debajo de la escala GUT para producir las masas O(1 meV) observadas. En el contexto de los katoptrones se han calculado ejemplos indicativos del orden de magnitud de las masas correspondientes y de los parámetros de mezcla de fermiones de acuerdo con datos experimentales. [1] [2]
A partir de 2019, el LHC ha excluido la existencia de muchas partículas nuevas con masas de hasta unos pocos TeV, o aproximadamente 10 veces la masa del quark superior. Otra evidencia indirecta a favor de un gran desierto energético a cierta distancia por encima de la escala electrodébil (o incluso ninguna partícula más allá de esta escala) incluye:
Hasta el momento no hay evidencia directa de nuevas partículas fundamentales con masas entre la escala electrodébil y GUT, consistentes con el desierto. Sin embargo, existen algunas teorías sobre por qué podrían existir tales partículas:
