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La física más allá del modelo estándar

La física más allá del modelo estándar ( BSM ) se refiere a los desarrollos teóricos necesarios para explicar las deficiencias del modelo estándar , como la incapacidad de explicar los parámetros fundamentales del modelo estándar, el problema CP fuerte , las oscilaciones de neutrinos , la asimetría materia-antimateria y la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura . [1] Otro problema radica en el marco matemático del propio modelo estándar: el modelo estándar es inconsistente con el de la relatividad general , y una o ambas teorías se rompen bajo ciertas condiciones, como las singularidades del espacio-tiempo como el Big Bang y los horizontes de eventos de los agujeros negros .

Las teorías que van más allá del Modelo Estándar incluyen varias extensiones del modelo estándar a través de la supersimetría , como el Modelo Estándar Supersimétrico Mínimo (MSSM) y el Modelo Estándar Supersimétrico Próximo al Mínimo (NMSSM), y explicaciones completamente novedosas, como la teoría de cuerdas , la teoría M y las dimensiones extra . Como estas teorías tienden a reproducir la totalidad de los fenómenos actuales, la cuestión de qué teoría es la correcta, o al menos el "mejor paso" hacia una Teoría del Todo , solo puede resolverse mediante experimentos, y es una de las áreas de investigación más activas tanto en física teórica como experimental . [2]

Problemas con el modelo estándar

A pesar de ser la teoría de física de partículas más exitosa hasta la fecha, el Modelo Estándar no es perfecto. [3] Una gran parte de la producción publicada por físicos teóricos consiste en propuestas de diversas formas de nuevas propuestas de física "más allá del Modelo Estándar" que modificarían el Modelo Estándar de maneras lo suficientemente sutiles como para ser consistentes con los datos existentes, pero que abordarían sus imperfecciones de manera suficiente como para predecir resultados no relacionados con el Modelo Estándar de nuevos experimentos que puedan proponerse.

El modelo estándar de partículas elementales + gravitón hipotético

Fenómenos no explicados

El Modelo Estándar es, en esencia, una teoría incompleta. Existen fenómenos físicos fundamentales en la naturaleza que el Modelo Estándar no explica adecuadamente:

Resultados experimentales no explicados

Ningún resultado experimental se acepta como contradictorio definitivo con el Modelo Estándar en el nivel 5 σ , [7] considerado ampliamente como el umbral de un descubrimiento en física de partículas. Debido a que cada experimento contiene cierto grado de incertidumbre estadística y sistémica, y las predicciones teóricas en sí mismas casi nunca se calculan con exactitud y están sujetas a incertidumbres en las mediciones de las constantes fundamentales del Modelo Estándar (algunas de las cuales son minúsculas y otras sustanciales), es de esperar que algunas de las cientos de pruebas experimentales del Modelo Estándar se desvíen de él en cierta medida, incluso si no hubiera ninguna física nueva por descubrir.

En cualquier momento dado existen varios resultados experimentales que difieren significativamente de una predicción basada en el Modelo Estándar. En el pasado, se ha descubierto que muchas de estas discrepancias son casualidades estadísticas o errores experimentales que desaparecen a medida que se recopilan más datos o cuando se realizan los mismos experimentos con más cuidado. Por otro lado, cualquier física que esté más allá del Modelo Estándar necesariamente aparecería primero en los experimentos como una diferencia estadísticamente significativa entre un experimento y la predicción teórica. La tarea es determinar cuál es el caso.

En cada caso, los físicos tratan de determinar si un resultado es simplemente una casualidad estadística o un error experimental, por un lado, o un signo de nueva física, por el otro. Los resultados estadísticamente más significativos no pueden ser simples casualidades estadísticas, sino que pueden ser el resultado de un error experimental o de estimaciones inexactas de la precisión experimental. Con frecuencia, los experimentos se adaptan para que sean más sensibles a los resultados experimentales que distinguirían al Modelo Estándar de las alternativas teóricas.

Algunos de los ejemplos más notables incluyen los siguientes:

Predicciones teóricas no observadas

Se ha confirmado la observación en colisionadores de partículas de todas las partículas fundamentales predichas por el Modelo Estándar. El bosón de Higgs se predice mediante la explicación del Modelo Estándar del mecanismo de Higgs , que describe cómo se rompe la simetría de calibre débil SU(2) y cómo las partículas fundamentales obtienen masa; fue la última partícula predicha por el Modelo Estándar en ser observada. El 4 de julio de 2012, los científicos del CERN que utilizan el Gran Colisionador de Hadrones anunciaron el descubrimiento de una partícula consistente con el bosón de Higgs, con una masa de aproximadamente126  GeV/ c 2 . El 14 de marzo de 2013 se confirmó la existencia de un bosón de Higgs, aunque se están realizando esfuerzos para confirmar que tiene todas las propiedades predichas por el Modelo Estándar. [19]

Algunos hadrones (es decir, partículas compuestas de quarks ) cuya existencia predice el Modelo Estándar, que solo se pueden producir a energías muy altas en frecuencias muy bajas, aún no se han observado definitivamente, y las " bolas de pegamento " [20] (es decir, partículas compuestas de gluones ) tampoco se han observado definitivamente todavía. Algunas desintegraciones de partículas de frecuencia muy baja predichas por el Modelo Estándar tampoco se han observado definitivamente todavía porque no se dispone de datos suficientes para hacer una observación estadísticamente significativa.

Relaciones inexplicables

No está claro si estas relaciones empíricas representan alguna física subyacente; según Koide, la regla que descubrió "puede ser una coincidencia accidental". [26]

Problemas teóricos

Algunas características del modelo estándar se añaden de manera ad hoc . No son problemas en sí mismos (es decir, la teoría funciona bien con las inserciones ad hoc ), pero implican una falta de comprensión. Estas características artificiales han motivado a los teóricos a buscar teorías más fundamentales con menos parámetros. Algunas de las artimañas son:

Resultados experimentales adicionales

Las investigaciones a partir de datos experimentales sobre la constante cosmológica , el ruido LIGO y la sincronización de los púlsares sugieren que es muy poco probable que existan nuevas partículas con masas mucho mayores que las que se pueden encontrar en el modelo estándar o el Gran Colisionador de Hadrones . [30] [31] [32] Sin embargo, esta investigación también ha indicado que la gravedad cuántica o la teoría cuántica de campos perturbativa se acoplarán fuertemente antes de 1 PeV, lo que conducirá a otra física nueva en los TeV. [30]

Grandes teorías unificadas

El modelo estándar tiene tres simetrías de calibración : la SU(3) de color , la SU(2) de isospín débil y la U(1) de hipercarga débil , correspondientes a las tres fuerzas fundamentales. Debido a la renormalización, las constantes de acoplamiento de cada una de estas simetrías varían con la energía a la que se miden. 10 16  GeV estos acoplamientos se vuelven aproximadamente iguales. Esto ha llevado a la especulación de que por encima de esta energía las tres simetrías de calibración del modelo estándar están unificadas en una única simetría de calibración con un grupo de calibración simple y una sola constante de acoplamiento. Por debajo de esta energía la simetría se rompe espontáneamente a las simetrías del modelo estándar. [33] Las opciones populares para el grupo unificador son el grupo unitario especial en cinco dimensiones SU(5) y el grupo ortogonal especial en diez dimensiones SO(10) . [34]

Las teorías que unifican las simetrías del modelo estándar de esta manera se denominan teorías de gran unificación (o GUT), y la escala de energía en la que se rompe la simetría unificada se denomina escala GUT. Genéricamente, las teorías de gran unificación predicen la creación de monopolos magnéticos en el universo temprano, [35] y la inestabilidad del protón . [36] Ninguna de estas ha sido observada, y esta ausencia de observación pone límites a las posibles GUT.

Supersimetría

La supersimetría extiende el Modelo Estándar añadiendo otra clase de simetrías al Lagrangiano . Estas simetrías intercambian partículas fermiónicas con partículas bosónicas . Tal simetría predice la existencia de partículas supersimétricas , abreviadas como spartículas , que incluyen los sleptones , squarks , neutralinos y charginos . Cada partícula en el Modelo Estándar tendría una superpareja cuyo espín difiere en 1/2 del de la partícula ordinaria. Debido a la ruptura de la supersimetría , las spartículas son mucho más pesadas que sus contrapartes ordinarias; son tan pesadas que los colisionadores de partículas existentes pueden no ser lo suficientemente potentes para producirlas.

Neutrinos

En el modelo estándar, los neutrinos no pueden cambiar de sabor espontáneamente . Sin embargo, las mediciones indicaron que sí lo hacen, en lo que se denomina oscilaciones de neutrinos .

Las oscilaciones de neutrinos se suelen explicar utilizando neutrinos masivos. En el modelo estándar, los neutrinos tienen una masa exactamente cero, ya que el modelo estándar solo contiene neutrinos levógiros . Sin un compañero diestro adecuado, es imposible añadir un término de masa renormalizable al modelo estándar. [37] Estas mediciones solo dan las diferencias de masa entre los diferentes sabores. La mejor restricción sobre la masa absoluta de los neutrinos proviene de mediciones precisas de la desintegración del tritio , que proporcionan un límite superior de 2 eV, lo que los hace al menos cinco órdenes de magnitud más ligeros que las otras partículas del modelo estándar. [38] Esto requiere una extensión del modelo estándar, que no solo necesita explicar cómo los neutrinos obtienen su masa, sino también por qué la masa es tan pequeña. [39]

Un enfoque para agregar masas a los neutrinos, el llamado mecanismo de balancín , es agregar neutrinos diestros y hacer que estos se acoplen a neutrinos zurdos con un término de masa de Dirac . Los neutrinos diestros tienen que ser estériles , lo que significa que no participan en ninguna de las interacciones del modelo estándar. Debido a que no tienen cargas, los neutrinos diestros pueden actuar como sus propias antipartículas y tienen un término de masa de Majorana . Al igual que las otras masas de Dirac en el modelo estándar, se espera que la masa de Dirac del neutrino se genere a través del mecanismo de Higgs y, por lo tanto, es impredecible. Las masas de los fermiones del modelo estándar difieren en muchos órdenes de magnitud; la masa del neutrino de Dirac tiene al menos la misma incertidumbre. Por otra parte, la masa de Majorana para los neutrinos diestros no surge del mecanismo de Higgs, y por lo tanto se espera que esté ligada a alguna escala de energía de la nueva física más allá del modelo estándar, por ejemplo la escala de Planck. [40] Por lo tanto, cualquier proceso que involucre neutrinos diestros se suprimirá a bajas energías. La corrección debido a estos procesos suprimidos efectivamente da a los neutrinos zurdos una masa que es inversamente proporcional a la masa de Majorana dextrógira, un mecanismo conocido como el sube y baja. [41] La presencia de neutrinos diestros pesados ​​​​explica así tanto la pequeña masa de los neutrinos zurdos como la ausencia de los neutrinos diestros en las observaciones. Sin embargo, debido a la incertidumbre en las masas de los neutrinos de Dirac, las masas de los neutrinos diestros pueden estar en cualquier lugar. Por ejemplo, podrían ser tan ligeros como keV y ser materia oscura , [42] pueden tener una masa en el rango de energía del LHC [43] [44] y conducir a una violación observable del número leptónico , [45] o pueden estar cerca de la escala GUT, vinculando los neutrinos diestros a la posibilidad de una gran teoría unificada. [46] [47]

Los términos de masa mezclan neutrinos de diferentes generaciones. Esta mezcla está parametrizada por la matriz PMNS , que es el análogo de neutrinos de la matriz de mezcla de quarks CKM . A diferencia de la mezcla de quarks, que es casi mínima, la mezcla de los neutrinos parece ser casi máxima. Esto ha llevado a varias especulaciones de simetrías entre las diversas generaciones que podrían explicar los patrones de mezcla. [48] La matriz de mezcla también podría contener varias fases complejas que rompen la invariancia CP, aunque no ha habido ninguna investigación experimental de estas. Estas fases podrían crear potencialmente un excedente de leptones sobre antileptones en el universo temprano, un proceso conocido como leptogénesis . Esta asimetría podría luego, en una etapa posterior, convertirse en un exceso de bariones sobre antibariones y explicar la asimetría materia-antimateria en el universo. [34]

Los neutrinos ligeros no son muy apreciados como explicación de la existencia de materia oscura, debido a la formación de estructuras a gran escala en el universo primitivo. Las simulaciones de formación de estructuras muestran que son demasiado calientes (es decir, su energía cinética es grande en comparación con su masa), mientras que la formación de estructuras similares a las galaxias en nuestro universo requiere materia oscura fría . Las simulaciones muestran que los neutrinos pueden explicar, en el mejor de los casos, un pequeño porcentaje de la masa faltante en la materia oscura. Sin embargo, los neutrinos pesados, estériles y diestros son un posible candidato para una WIMP de materia oscura . [49]

Sin embargo, existen otras explicaciones para las oscilaciones de neutrinos que no requieren necesariamente que los neutrinos tengan masas, como las oscilaciones de neutrinos que violan el principio de Lorentz .

Modelos Preon

Se han propuesto varios modelos de preones para abordar el problema no resuelto relativo al hecho de que existen tres generaciones de quarks y leptones. Los modelos de preones generalmente postulan algunas partículas nuevas adicionales que, además, se postula que pueden combinarse para formar los quarks y leptones del modelo estándar. Uno de los primeros modelos de preones fue el modelo de Rishon . [50] [51] [52]

Hasta la fecha, ningún modelo de preón está ampliamente aceptado o totalmente verificado.

Teorías del todo

La física teórica continúa esforzándose por lograr una teoría del todo, una teoría que explique y conecte completamente todos los fenómenos físicos conocidos y prediga el resultado de cualquier experimento que pueda llevarse a cabo en principio.

En términos prácticos, el objetivo inmediato a este respecto es desarrollar una teoría que unifique el Modelo Estándar con la Relatividad General en una teoría de la gravedad cuántica . Sería deseable contar con características adicionales, como la superación de fallas conceptuales en cualquiera de las teorías o la predicción precisa de las masas de las partículas. Los desafíos para elaborar una teoría de este tipo no son solo conceptuales: incluyen los aspectos experimentales de las altísimas energías necesarias para explorar reinos exóticos.

Varios intentos notables en esta dirección son la supersimetría , la gravedad cuántica de bucles y la teoría de cuerdas .

Supersimetría

Gravedad cuántica de bucles

Algunos piensan que las teorías de la gravedad cuántica, como la gravedad cuántica de bucles y otras, son candidatas prometedoras para la unificación matemática de la teoría cuántica de campos y la relatividad general, y que requieren cambios menos drásticos en las teorías existentes. [53] Sin embargo, trabajos recientes imponen límites estrictos a los supuestos efectos de la gravedad cuántica sobre la velocidad de la luz y desfavorecen algunos modelos actuales de gravedad cuántica. [54]

Teoría de cuerdas

Existen extensiones, revisiones, reemplazos y reorganizaciones del Modelo Estándar en un intento de corregir estos y otros problemas. La teoría de cuerdas es una de esas reinvenciones, y muchos físicos teóricos piensan que tales teorías son el siguiente paso teórico hacia una verdadera Teoría del Todo . [53]

Entre las numerosas variantes de la teoría de cuerdas, la teoría M , cuya existencia matemática fue propuesta por primera vez en una Conferencia de Cuerdas en 1995 por Edward Witten, es considerada por muchos como una candidata adecuada a la "ToE" , en particular por los físicos Brian Greene y Stephen Hawking . Aunque todavía no se conoce una descripción matemática completa, existen soluciones a la teoría para casos específicos. [55] Trabajos recientes también han propuesto modelos de cuerdas alternativos, algunos de los cuales carecen de las diversas características más difíciles de probar de la teoría M (por ejemplo, la existencia de variedades de Calabi-Yau , muchas dimensiones adicionales , etc.) incluyendo trabajos de físicos bien publicados como Lisa Randall . [56] [57]

Véase también

Notas al pie

  1. ^ ab "En la literatura se pueden encontrar miles de afirmaciones que sostienen que la relatividad general y la mecánica cuántica son incompatibles . Estas afirmaciones están completamente obsoletas y ya no son relevantes.
    La teoría de campos efectivos muestra que la relatividad general y la mecánica cuántica funcionan juntas con total normalidad en un rango de escalas y curvaturas, incluidas las relevantes para el mundo que vemos a nuestro alrededor. Sin embargo, las teorías de campos efectivos solo son válidas en un rango de escalas determinado. La relatividad general ciertamente tiene problemas problemáticos en escalas extremas. Hay problemas importantes que la teoría de campos efectivos no resuelve porque están más allá de su rango de validez. Sin embargo, esto significa que la cuestión de la gravedad cuántica no es lo que pensábamos: en lugar de una incompatibilidad fundamental entre la mecánica cuántica y la gravedad, nos encontramos en la situación más familiar de necesitar una teoría más completa más allá del rango de su aplicabilidad combinada.
    La combinación habitual de la relatividad general y la mecánica cuántica funciona bien en energías ordinarias, pero ahora buscamos descubrir las modificaciones que deben estar presentes en condiciones más extremas. Esta es la visión moderna del problema de la gravedad cuántica y representa un avance con respecto a la visión obsoleta del pasado". — Donoghue (2012) [5]
    Véase también la cita contemporánea contraria [b] de Sushkov, Kim, et al . (2011). [4]
  2. ^ ab "Es notable que dos de los mayores éxitos de la física del siglo XX, la relatividad general y el modelo estándar, parezcan ser fundamentalmente incompatibles". — Sushkov, Kim, et al . (2011) [4]
    Pero véase la cita contraria [a] de Donoghue (2012). [5]

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