El significado de la física más allá del modelo estándar mínimo

Por Francisco R. Villatoro, el 31 julio, 2010. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Physics • Science ✎ 3

El modelo estándar mínimo resume todo nuestro conocimiento actual sobre la física de partículas elementales. Cuando se loan sus virtudes se alude a que está basado en la simetría, la belleza de las simetrías locales de aforo (gauge) descritas con la matemática de la teoría de grupos continuos. El modelo estándar se resume en el producto de grupos de simetría SU(3)×SU(2)×U(1). Una descripción engañosa que oculta toda la complejidad de la teoría (quiralidad, generaciones de partículas, ruptura espontánea de la simetría, etc.). No entraré en dichos detalles, solo quiero recalcar que el modelo estándar mínimo es eso, mínimo, pues puede ser ampliado fácilmente. Ahora bien, ampliarlo requiere la guía de los experimentos. La belleza en sí misma no es una guía.

El ejemplo más conocido es la masa de los neutrinos. Todavía no sabemos cual es la forma correcta de incorporar la masa de los neutrinos en el modelo estándar mínimo, porque hay varias posibilidades que dependen de las propiedades que tengan los neutrinos. Por ejemplo, no sabemos aún si los neutrinos son partículas de Dirac (neutrino y antineutrino son partículas diferentes) o de Majorana (son la misma partícula). Sea cual sea la respuesta correcta, la teoría para ampliar el modelo estándar ya está desarrollada y el modelo seguirá siendo una teoría de aforo de tipo SU(3)×SU(2)×U(1), ocultando que la inclusión de la masa de los neutrinos requiere importantes cambios en la teoría y la adición de nuevos parámetros. Se ha avanzado mucho en el conocimiento de la física de los neutrinos en la última década, pero todavía los experimentos no han ofrecido respuestas definitivas sobre la manera correcta de incorporar su masa en el modelo estándar mínimo.

El descubrimiento de nuevas partículas en el LHC del CERN implica física más allá del modelo estándar mínimo pero no implica que haya que cambiar los grupos de simetría SU(3)×SU(2)×U(1) en los que se basa. Se conocen tres generaciones de quarks, (u,d), (c,s) y (t,b). Podría existir una cuarta generación de quarks (t’,b’) cuya incorporación no cambiaría la simetría SU(3)×SU(2)×U(1). Según el experimento CDF del Tevatrón con 4’6/fb de colisiones, la masa del quark t’ es mayor que 335 GeV/c² y la masa del quark b’ es mayor que 385 GeV/c² (ambos al 95% CL). Con estos límites para la masa de estos quarks de cuarta generación podrían ser detectados en el LHC del CERN el próximo año (si existen).

Nuevos grupos de simetría tendrían que ser incorporados en el modelo estándar mínimo si se descubriesen nuevos bosones vectoriales intermedios. El descubrimiento de un Z’ (Z-prima) requeriría añadir un nuevo grupo U(1) resultando en SU(3)×SU(2)×U(1)×U(1) y el de nuevos W’± el añadir un nuevo grupo SU(2) resultando en SU(3)×SU(2)×SU(2)×U(1). Las búsquedas experimentales de estos bosones vectoriales y los tests de precisión para el modelo estándar indican que tienen una masa mayor de 1 TeV/c² (aunque depende de la búsqueda concreta considerada).

Hay muchos modelos teóricos más allá del modelo estándar que predicen nuevos bosones vectoriales o una cuarta generación de quarks y que implican cambios mucho mayores en el modelo estándar, pero la historia nos dice que el descubrimiento de un nueva partícula es incorporada en el modelo estándar de la forma más sencilla posible, la que aporte el mínimo posible de nuevos parámetros, siempre que sea posible hacerlo de forma compatible con los datos experimentales. Una de las grandes ventajas de que el modelo estándar sea una teoría renormalizable es su facilidad para ser ampliado con un mínimo de cambios.

Por supuesto, la física más allá del modelo estándar también puede implicar otras posibilidades más exóticas, como un grupo de simetría más grande, la idea de las teorías de gran unificación (GUT). La GUT más sencilla, SU(5) ya ha sido descartada, pues implica la desintegración del protón con una vida media (estirando mucho todos los parámetros) menor de 10³³ años y experimentos como SuperKamiokande han demostrado que su vida media es mayor de 7×10³³ años (hay que recordar que se cree que el universo tiene una edad de 13’7 mil millones de años). Aún así, hoy en día no podemos descartar teorías GUT basadas en los grupos de simetría SO(10) y E6. Pero estos grupos añaden demasiadas nuevas partículas aún por descubrir.

En mi opinión, el avance del modelo estándar será paso a paso, partícula a partícula, con pequeñas correcciones o adiciones al modelo estándar hasta que lo hagan tan engorroso (algunos opinan que ya lo es) como para que merezca la pena un cambio radical de paradigma. Incluso el descubrimiento de una o dos partículas (aparentemente) supersimétricas no significará la reinvidicación de la supersimetría como substituta del modelo estándar. Se necesitarán muchos años para que la mayoría de los físicos teóricos se convenzan definitivamente y cambien los libros de texto.



3 Comentarios

  1. Me parece muy interesante esta entrada. En la facultad solo llegue a ver una asignatura de «particulas elementales» (12 creditos de optativa muy bien condensados la verdad) pero como es normal ya se me escapan las novedades. Tu entrada hace que sienta ganas de reestudiar toda esa parte y profundizar en teoria de grupos. (pero tendrá que esperar porque estoy recuperando la cosmología y la relatividad, jeje)
    Tal y como lo planteas me da la sensacion de que se produce una cierta acomodación. Parece que la teoria va a remolque de los datos experimentales y se contruye esta a partir de los mismos. Por otro lado es cierto que los teoricos han sido tan prolificos que hay pocos caminos que no hayan sido ya descritos mediante este modelo. Es decir, se obtenga lo que se obtenga caerá dentro de alguna prediccion establecida por alguna de las teorias generadas.
    Tu mismo dices que «La belleza en sí misma no es una guía.» para elaborar una teoría. O que la teoria debe ser a la vez sencilla y compleja. Cada vez creo que en la ciencia se ha guiado mas, en general, por estos valores. Hablas tambien de que algunos piensan que la teoria se esta volviendo demasiado compleja y hace falta un cambio de paradigma.
    Dime, realmente, cuando existen tantas posibilidades de elaborar predicciones (desde mi punto de vista manteniendo el nucleo de la teoria y modificando los auxiliares) ¿que valor tiene la evidencia experimental se dé lo que se dé puede caer dentro del modelo? En términos Popperianos ¿Se puede falsar una teoria cuando lo predice todo (ya se que es exagerado ese todo)? Y salvando las distancias, parece que se prediga que mañana hará sol, lloverá y nevará dependiendo solo de las modificaciones y consideraciones de los grupos que intervengan en la modelizacion.
    De verdad una entrada estupenda para entender mejor como veis desde dentro los que estais al pie del cañon.

    1. Miquel, «¿que valor tiene la evidencia experimental se dé lo que se dé puede caer dentro del modelo?» Para un físico todo. Cualquier evidencia aparentemente fuera del modelo puede ser explicada por un nuevo modelo ad hoc, sin embargo, dicho modelo aporta poco a nuestro conocimiento sobre la Naturaleza. Estudiar en detalle un modelo requiere mucho tiempo y la labor de muchísimos físicos. Solo si es imprescindible abandonar un modelo hay que abandonarlo. La mayoría de las veces la evidencia encaja en el modelo, sobre todo cuando el modelo es muy complicado y sutil, pero requiere trabajo lograr encajarla.

      Estudias relatividad. Sabes que en el s. XIX se observó el avance del perihelio de Mercurio. Lo natural es acomodar esta evidencia experimental en la teoría existente. La solución más obvia manteniendo la teoría de Newton era la existencia de Vulcano. Se buscó con tesón dicho planeta y no fue encontrado. También se estudiaron otras posibilidades (como cambios en la forma del Sol). No hubo manera de acomodar esta evidencia en la teoría de Newton. A finales del s. XIX se planteó la posibilidad de alterar la gravedad de Newton para acomodar dicha evidencia experimental. El cambio de paradigma estaba en el aire.

      En pleno auge del electromagnetismo parecía que lo natural era extender la gravedad de Newton siguiendo los pasos de las ecuaciones de Maxwell. Paul Gerber propuso (1898) una teoría en la que la gravedad se propagaba a la velocidad de la luz y dedujo la fórmula correcta (que más tarde redescubrió Einstein) para explicar el avance del perihelio de Mercurio. Su teoría tenía algunas inconsistencias internas y por eso no tuvo éxito. Cerca de 1920 se descartó completamente. La teoría de la relatividad de Einstein era una mejor opción.

      El cambio de paradigma para la gravedad de Newton a Einstein fue guiado por una doble evidencia «experimental.» La evidencia experimental de que la teoría de Newton fallaba para explicar ciertos hechos experimentales (como inconsistencias en la cosmología newtoniana) y además fallaba a la hora de acomodar la relatividad especial (probada experimentalmente por el electromagnetismo de Maxwell). Sin estas inconsistencias que no se podían acomodar en el paradigma newtoniano no hubiera habido necesidad de cambiar de paradigma.

      Por cierto, quería preparar una entrada sobre la historia del avance del perihelio de Mercurio. Supongo que la semana que viene la podrás leer en el blog.

      1. De verdad, agradezco muchisimo la dedicacion que tienes en este blog. Te acabas de ganar a otro alumno (pero a distancia y autodidacta!) y todo gracias a los enlaces que pones para seguir investigando. Gracias de verdad. El primer enlace esta en aleman. Se aleman pero me costará entenderlo, jeje. El segundo es una joya para lo estoy investigando ahora. Gracias.

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