Sobre el descubrimiento de la supersimetría en el LHC del CERN

Por Francisco R. Villatoro, el 27 septiembre, 2008. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Materia oscura • Personajes

¿Cómo se descubrirá la supersimetría en el LHC cuando empiece a funcionar a pleno rendimiento en un par de años? Hans Peter Nilles, uno de los grandes expertos mundiales en supersimetría (autor de un artículo clásico sobre el tema, que yo leí hace ya muchos años, aunque me enteré de la misa la mitad: “Supersymmetry, supergravity and particle physics,” Physics Reports, 110:1-162, 1984, citado 1589 veces según Scopus), acaba de publicar “Supersymmetry: The Final Countdown,” ArXiv preprint, 25 sep 2008 , donde nos indica que el LHC descubrirá o refutará la supersimetría en la escala de los TeV. En su opinión, el descubrimiento de los primeros supercompañeros (gluinos y neutralinos) y la relación entre sus masas nos permitirá confirmar sin lugar a dudas la supersimetría y el modelo correcto de ruptura espontánea de la supersimetría (tiene que estar rota porque a baja energía no la observamos). El artículo es cortito, no muy técnico, y merece la pena ser leído. Para los menos atrevidos, recapitulemos un poco. 

Las partículas elementales en el Modelo Estándar son de dos tipos, fermiones y bosones. Los fermiones (electrones, neutrinos y quarks) son partículas de espín semi-entero y representan las partículas “materiales”. Los bosones son partículas de espín entero. Aún no se ha descubierto ningún bosón escalar, con espín nulo, como el Higgs. Sólo se conocen bosones vectoriales (con espín unidad) que son las partículas “portadoras” de las fuerzas fundamentales: el fotón (electromagnetismo), los bosones W y Z (la fuerza débil) y los gluones (la fuerza fuerte). Estos bosones vectoriales se denominan colectivamente bosones de gauge, porque se “deducen” de las simetrías de tipo gauge (de aforo o contraste) en el Modelo Estándar. El gravitón, la partícula portadora de la gravedad, sería un bosón tensorial (espín 2), pero todavía no ha sido observado.

La supersimetría es una simetría que relaciona fermiones con bosones. No es posible aplicarla para relacionar los fermiones actualmente conocidos con los bosones actualmente conocidos, por lo que su validez implica la existencia de supercompañeros (superpartículas aún por descubrir) asociadas a cada una de las partículas (fermiones y bosones) actualmente conocidos. ¿Por qué no los hemos observado (aún)? Por que la supersimetría está rota (a baja energía) y las superpartículas tienen mucha más masa en reposo que las partículas (sólo pueden ser observadas a alta energía).

La esperanza para los físicos teóricos especialistas en supersimetría (y en teoría de cuerdas) es que la supersimetría sea descubierta en el LHC del CERN. ¿Cómo será observada? Observando por primera vez una superpartícula. ¿Cuál será la primera en ser observada? Posiblemente un gaugino, una superpartícula tipo fermión asociada a un bosón (vectorial) de gauge. En el modelo supersimétrico más sencillo que extiende el modelo estándar, el Modelo Minimal Supersimétrico (MMSM), los únicos gauginos están asociados a los únicos bosones vectoriales descubiertos: fotino (asociado al fotón), wino y zino (asociados a los bosones W y Z), gluino (asociado a los gluones) y el bino (asociado a cierta combinación mediante fuerza débil del fotón y los bosones W y Z). Por supuesto, en teoría habría también un gravitino (asociado al gravitón), dos higgsinos (asociados al Higgs), etc.

¿Cómo observaremos un gaugino en el LHC? En el Modelo Estándar las partículas con masa la adquieren gracias a una ruptura de la simetría (mediada por un bosón de Higgs) que conduce a “estados masivos” (mass eigenstates) que no coinciden exactamente con ninguna de las partículas del espectro antes de la ruptura, sino que son combinaciones (lineales) de las mismas. Por ello se cree que en el LHC no se observarán directamente los gauginos o los higgsinos sino ciertas combinaciones lineales de ellos denominados neutralinos (neutros) y carginos (cargados). Casi todos los modelos supersimétricos suponen que el neutralino menos masivo es una partícula estable, denominada WIMP, que es el mejor candidato actualmente para la materia oscura (“fría” ya que la “caliente”, partículas rápidas como los neutrinos, ha sido descartada recientemente).

Supongamos que se observa un neutralino, ¿quedará actualmente verificada la supersimetría? No. Los astrofísicos se pondrían muy contentos ya que tendrían un gran candidato para la materia oscura, pero muchos físicos teóricos seguirían dudando de la supersimetría. ¿Cómo verificarla sin duda? Encontrando más de una superpartícula y estudiando la relación entre sus masas. Lo ideal sería que fueran gauginos, ya que hay varias relaciones entre sus masas predichas por diferentes variantes de la supersimetría. Las tres más importantes las podéis encontrar en el artículo de Kiwoon Choi, Hans Peter Nilles, “The Gaugino Code,” IOP Journal of High Energy Physics (2007), disponible gratis en ArXiv.

Asociadas a las tres simetrías del Modelo Estándar U(1), SU(2) y SU(3) habrá tres gauginos cuyas masas M1 (fotinos, binos), M2 (winos, zinos) , y M3 (gluinos) estarán relacionadas aproximadamente por M1 : M2 : M3 1 : 2 : 6, en las escalas de energía alcanzables en el LHC (la escala de TeV). Esta relación tan sencilla sería muy fácil de detectar en los experimentos, pero es muy difícil que se cumpla, ya que la supersimetría está rota y dependiendo de cómo se rompa esta relación cambia. Las dos relaciones mejor justificadas teóricamente depende de si la ruptura es mediada por anomalías, patrón M1 : M2 : M3 3.3 : 1 : 9, y la mediada por simetrías especulares, patrón M1 : M2 : M3 (1 + 0.66α) : (2 + 0.2α) : (6 1.8α), donde α es un parámetro cuyo valor es del orden de la unidad.

¿Realmente si observamos tres superpartículas diferentes será fácil comprobar si su patrón de masas cumple con las relaciones anteriores? Desafortunadamente, no. Seguramente la masa de los gluinos estará relacionada directamente con M3, pero los neutralinos (mezclas de binos, winos, y quizás higgsinos) son una combinación lineal de M1 y M2 que sólo sabemos determinar experimentalmente. De todas formas, Nilles, uno de los mayores expertos mundiales en supersimetría, no pierde la esperanza y cree que incluso si sólo se observan 2 gauginos (probablemente neutralinos) será posible (estudiando los detalles de cómo interactúan) determinar cuál es el esquema de ruptura de la simetría (el patrón de masas) del resto, lo que permitirá en futuros experimentos en aceleradores afinar mejor el modelo supersimétrico.

La esperanza es lo último que se pierde.



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