El modelo estándar extendido SM*A*S*H

Dibujo20170221 smash model particle content andreas ringwald et al june 2016

Hay cosas que el modelo estándar (SM) no explica. El modelo νMSM de Shaposhnikov añade tres neutrinos dextrógiros al SM con masas entre keV y GeV para explicar algunas. El español Guillermo Ballesteros y varios colegas proponen el modelo SM*A*S*H que añade al modelo νMSM un nuevo campo escalar, un axión y un quark vectorial. Las nuevas partículas tendrían una masa de unos mil millones de GeV, salvo el axión, más allá del alcance de los experimentos en el siglo XXI. Por tanto es un modelo no falsable (salvo por el axión que tendría una masa de unos 0,1 meV).

Con gran eco mediático, quizás por el llamativo nombre que recuerda a M*A*S*H, el nuevo modelo resuelve los cinco problemas siguientes: el bosón de Higgs junto al nuevo bosón escalar explicarían la inflación cósmica; los nuevos neutrinos dextrógiros estériles explicarían la asimetría materia-antimateria vía un mecanismo de leptogénesis y la materia oscura templada (WDM); el axión explicaría la materia oscura fría (CDM) y que la interacción fuerte no rompe la simetría CP; y, por último, los neutrinos serían fermiones de Dirac–Majorana, con masa de Dirac gracias al Higgs y de Majorana gracias al nuevo escalar.

Por cierto, me ha enfatizado César Tomé, @EDocet, que no olvide las predicciones del modelo inflacionario propuesto en SM*A*S*H, llamado inflación con Higgs y escalar oculto (HHSI por Higgs-Hidden Scalar Inflation). Estas predicciones podrían ser falsadas en las próximas décadas (quizás en los 2030). En concreto que el cociente entre modos tensoriales y modos escalares r ≃ 0,004 (los datos actuales apuntan a r < 0,07) y que el incremento en el número efectivo de neutrinos relativistas es ΔNeff ∼0,03 (el modelo ΛCDM predice ~ 0,046). Ambas predicciones se destacan en el resumen del artículo. Sin embargo, ambas son difíciles de falsar pues dependen de parámetros que se pueden reajustar si las observaciones así lo requieren.

Me enteré a finales de junio de 2016 en una charla de Andreas Ringwald [slides]; desde entonces muchos blogs y medios se han hecho eco. Ahora vuelve al candelero gracias a Guillermo Ballesteros, Javier Redondo, …, Carlos Tamarit, “Unifying Inflation with the Axion, Dark Matter, Baryogenesis, and the Seesaw Mechanism,” Phys. Rev. Lett. 118: 071802 (15 Feb 2017), doi: 10.1103/PhysRevLett.118.071802, arXiv:1608.05414 [hep-ph]. El artículo del congreso de junio es Andreas Ringwald, “SM*A*S*H,” arXiv:1610.05040 [hep-ph]. Puedes disfrutar de una descripción detallada de la propuesta en Guillermo Ballesteros, Javier Redondo, …, Carlos Tamarit, “Standard Model-Axion-Seesaw-Higgs Portal Inflation. Five problems of particle physics and cosmology solved in one stroke,” arXiv:1610.01639 [hep-ph] (89 pp.).

Más información divulgativa en Ana Lopes, “Synopsis: Model Tries to Solve Five Physics Problems at Once,” Physics, 15 Feb 2017; Sabine Hossenfelder @skdh, “A new theory SMASHes problems,” Backreaction, 16 Nov 2016; Shannon Hall, “Physics tweak solves five of the biggest problems in one go,” New Scientist, 27 Oct 2016; “This New Hypothesis Claims to Solve 5 of the Biggest Problems in Physics,” Science Alert, 31 Oct 2016; etc.

[PS 22 Feb 2017] Recomiendo leer a César Tomé, “Un poco más allá del modelo estándar,” Cuaderno de Cultura Científica (CCC), 22 Feb 2017.

Dibujo20170221 tensor-to-scalar ratio vs scalar spectral index in smash model phys rev lett

El modelo estándar (SM) es inestable por culpa de campo de Higgs; su acoplamiento se vuelve negativo a energías inferiores a la de Planck. Una solución a este problema está relacionada con el origen de la inflación cósmica. En el SM se propone que la inflación es debida a un campo escalar aún no observado, el inflatón. En principio, dicho campo no tiene nada que ver con el campo de Higgs. En el modelo νMSM se evita ese nuevo escalar proponiendo que el propio campo de Higgs (modificado) es suficiente para explicar la inflación cósmica (es decir, el campo de Higgs sería el campo inflatón). Esta idea requiere modificar el potencial de autointeracción cuártico para el campo de Higgs que se usa en el modelo estándar y podría evitar la inestabilidad del vacío, pero aún no está claro cómo lograrlo. En SM*A*S*H se prefiere no tocar el campo de Higgs y añadir un nuevo campo escalar cargado σ, que estaría acoplado al Higgs con un potencial V(H,σ) de tal forma que se estabiliza el vacío del modelo estándar. El Higgs es neutro, pero σ está cargado, luego es complejo con dos componentes reales, sean su módulo ρ y su fase J. El módulo ρ explicaría la inflación.

La fase J del nuevo campo escalar se observaría como un bosón escalar de Nambu-Goldstone sin masa. Como no se ha observado debe haber algún mecanismo que le dote de masa y no puede ser el Higgs. Podemos matar dos pájaros de un tiro si dicho bosón adquiere masa como el axión en el mecanismo de Peccei–Quinn para resolver el problema CP fuerte (la cromodinámica cuántica debería romper dicha simetría, pero no se observa dicha rotura). El axión A/J sería una partícula ideal para explicar la materia oscura fría. El problema es que esta solución no es gratis y debe aparecer, al menos, una nueva partícula Q de tipo quark. Podría ser un quark, pero entonces habría una pareja de dos quarks (una nueva familia de partículas). Podemos evitarlo si este “quark” no interacciona de forma débil como los quarks, aunque sí de forma fuerte, es decir, si es una partícula tipo quark (sea Quark) descrita por dos fermiones de Weyl (Quark y antiQuark); su carga eléctrica sería ±1/3 y no habría sido observado porque su masa (originada por el campo σ, no por el Higgs) sería muy grande.

Dibujo20170221 smashy history universe andreas ringwald et al june 2016

El nuevo campo escalar que dota de masa al nuevo Quark Q, también dotaría de masa a los neutrinos mediante un mecanismo tipo balancín (see-saw). Como bien sabrás solo hemos observado neutrinos levógiros, cuando los leptones (electrones) cargados son tanto levógiros como dextrógiros. Esto no fue un problema hasta que se descubrió que los neutrinos oscilan en sabor, luego deben tener masa. El mecanismo de Higgs que se aplica a los leptones cargados no se puede aplicar a los neutrinos. Hay varias soluciones a este problema. La más sencilla es que los neutrinos sean fermiones de Majorana, en cuyo caso los neutrinos déxtrogiros serían idénticos a los antineutrinos dextrógiros. Otra solución es que sean fermiones de Dirac y que actúe un mecanismo tipo balancín (see-saw) que provoque que las componentes dextrógiras tengan gran masa. Pero también existe la posibilidad de una mezcla de ambas soluciones, siendo los neutrinos una mezcla de fermiones de Dirac y Majorana. Esta es la opción elegida para el modelo SM*A*S*H vía el campo σ, en lugar del Higgs. Así la masa del campo inflatón (ρ), los neutrinos dextrógiros (Ni) y el Quark (Q) estaría en una escala de energía muy alta. Si el vacío del campo σ está en la escala de 1011 GeV, entonces dichas masas estarían en la escala de 109 GeV. Más allá de lo que se podrá explorar, al menos, durante el siglo XXI.

En el modelo SM*A*S*H el recalentamiento tras la inflación procedería en dos etapas. Una a alta energía, 1016 GeV, y otra a baja energía, 1011 GeV. Esta última sería la fuente de la asimetría materia-antimateria, vía un mecanismo de leptogénesis mediado por los neutrinos dextrógiros de alta masa. No quiero entrar en más detalles técnicos. El modelo SM*A*S*H parece compatible con todas las observaciones actuales. Siendo su único predicción falsable la masa del axión, que debería ser entre 50 y 1500 μeV. Aunque es una predicción floja, pues el rango es muy amplio y hay decenas (sino cientos) de modelos que predicen un axión en dicho rango de masas. El resto de sus predicciones escapan a cualquier posible falsación. Especulaciones hay muchas y cada cual puede elegir que más le guste. Y nada más creo que sea necesario decir.

La gran cuestión para un físico teórico ante un modelo como SM*A*S*H es su belleza. Construido a retazos, habrá quienes lo considere un monstruo de Frankstein, y habrá quiene aprecie la calidad de sus costuras. En mi opinión, el artículo publicado en Physical Review Letters sobre SM*A*S*H está muy bien escrito y tras leerlo uno se queda con un buen sabor de boca. El modelo parece tener buena hechura. Sin embargo, si uno se lee los artículos más extensos publicados en ArXiv, surge el abogado del diablo. Todo parece forzado para que no parezca que hay ajustes finos (que los hay). A mí me deja un retrogusto en boca que no me agrada. Por supuesto, espero estar equivocado y que el modelo sea todo un éxito en los próximos años, sobre todo por sus autores españoles.

11 Comentarios

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benjaminbenjamin

Hola profesor Francis

Se que es una pregunra fuera del tema del articulo

Lei muchos papers meta analisis etc, sobre la caida de las abejas, hay grupos que dicen que los neonicotinoides no son la causa, hay otros que dicen que ni siquiera hay un problema de caida.

Cual es su opinion?

Francisco R. Villatoro

Benjamin, la mayoría de los expertos opina que es un problema multifactorial, la combinación de muchos efectos perniciosos para las abejas. En Europa parece que uno de esos factores son los neonicotinoides, como afirmó el artículo Ben A. Woodcock et al., “Impacts of neonicotinoid use on long-term population changes in wild bees in England,” Nature Communications 7: 12459 (2016), doi: 10.1038/ncomms12459. Sin embargo, en EEUU parece que la influencia de los neonicotinoides es muy pequeña, Hank Campbell, “It’s Official: Neonics Don’t Cause Bee Deaths,” ACSH, 16 Aug 2016. No soy experto, así que mi opinión es poco relevante. Pero lo que tienes que tener claro es que se trata de una causa entre muchas y que demonizarlos no va a ser la solución (aunque en Europa muchos proponen reducir su uso).

PacoPaco

Esta vez te has superado.
No entiendo 3 palabras de cada frase xD.

Espero que la wikipedia no me cobre por cada consulta que voy a hacer.

GroovyGroovy

Si como decía George Lemaître el universo es la expansión de un átomo primordial gigantesco que contenía la masa y la radiación del cosmos, entonces, por simple analogía, el campo inflatón se proyecta en cada partícula, planeta, estrella, galaxia, cúmulos de galaxias y en la radiación electromagnética que recorre el universo. A diferencia de Einstein y De Sitter, Lemaître consideró la presión de radiación en sus soluciones dinámicas de la ecuación de campo de Einstein. Digo esto porque acabo de leer en ABC el descubrimiento del púlsar más brillante del universo que está situado a 50 millones de años luz de la Tierra, un hecho que por inesperado causa perplejidad en los astrofísicos.

Parece haber cierta proporcionalidad entre la lejanía del objeto y la intensidad de su radiación, que en un solo segundo es capaz de emitir la misma cantidad de energía que nuestro Sol libera en tres años y medio. Me llama la atención que el colapso de lo que parece ser una estrella de neutrones de enorme densidad se produzca a esa distancia. Me obliga a reflexionar sobre la velocidad de recesión de las galaxias y sobre las posibles anisotropías que se hallen en regiones distantes de nuestro sistema solar. Sea como fuere, el universo muestra una vitalidad espléndida que sorprende una vez más a los astrofísicos y que agradaría a Lemaître.

http://www.abc.es/ciencia/abci-descu...oticia.html

PelauPelau

En este caso no hay proporcionalidad alguna entre la lejanía del púlsar y su inusitado brillo (pero sí la hay en el caso de los cuásares porque son objetos muchísimo más lejanos o sea muchísimo más antiguos, los cuásares pertenecen a la violenta era de las protogalaxias en incipiente formación).

Aquí la posible explicación al inusitado brillo de ese púlsar:
https://www.forbes.com/sites/brucedo...aa3b0175e44
“We propose that the magnetic field of the pulsar in NGC 5907 ULX-1 has a complicated (multipolar) structure,” said Israel. “This allows [it] to accrete matter from its companion star at a very high rate.”

La explicación (atribuida a la geometría del campo magnético del púlsar) de momento no es más que una hipótesis, pero es coherente con este otro descubrimiento:
https://www.nasa.gov/mission_pages/c...puzzle.html

Por si todo esto no fuera ya suficientemente extraño, hay buenas razones para pensar que existen estrellas más extrañas que las de neutrones, como estrellas de quarks y otras aún más extrañas:
https://www.youtube.com/watch?v=u4RNGRyzt10
Para activar subtítulos ir a Configuración / Subtítulos / Inglés – CC / Traducir automáticamente / Español.

Saludos.

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