Los fotones robaron la Navidad a los físicos de partículas

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El 15 de diciembre se anunció una posible resonancia a 750 GeV en los sucesos con dos fotones en los detectores ATLAS y CMS del LHC Run 2. Hoy 28 de diciembre ya hay 95 artículos de físicos de partículas en arXiv que tratan de explicar esta resonancia. Casi 100 artículos que podrían quedarse en nada si al final resulta que la posible resonancia es solo una falsa alarma.

Todos soñamos con que no pase lo que pasó cuando el experimento italiano OPERA anunció en 2011 que los neutrinos muónicos aparentaban ser superlumínicos, o cuando el telescopio del polo sur BICEP2 anunció en 2014 la primera observación de los modos B cosmológicos en la polarización del fondo cósmico de microondas.

Te recomiendo leer a Davide Castelvecchi, “Potential New Particle Sparks Flood of Theories. Physicists have produced nearly 100 papers on the latest tantalizing results from the Large Hadron Collider,” Scientific American, 28 Dec 2015, Nature News 24 Dec 2015, doi: 10.1038/nature.2015.19098; Jester, “750 and what next,” Résonaances, 24 Dec 2015. Para los que prefieran algo más técnico, un buen resumen de la situación actual en Nathaniel Craig et al., “How the γγ Resonance Stole Christmas,” arXiv:1512.07733 [hep-ph].

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¿Qué puede ser la resonancia si se confirma en 2016? Para interpretar la señal observada, lo más importante, es saber lo que no se ha observado. No hay señales de esta resonancia en los canales jj (dos chorros hadrónicos), γγ (dos fotones), Zγ (un fotón y un bosón Z) y ZZ (dos bosones Z) en los datos del LHC Run 1 con colisiones a 8 TeV c.m. obtenidas en 2012. Tampoco las hay en los nuevos datos a 13 TeV c.m. en el LHC Run 2 obtenidas en 2015 en estos canales salvo en el canal γγ. Por tanto, una partícula escalar (S), similar a un segundo bosón de Higgs con una de 750 GeV/c², queda descartada como única fuente de la resonancia; su señal habría sido observada en otros canales como la desintegración en dos quarks top, o en cuatro leptones vía un par de bosones Z.

Un nuevo escalar responsable de la resonancia debe estar acompañado de nuevas partículas (todo un nuevo sector de partículas que habría que añadir al modelo estándar). Esto es lo que hace tan interesante y sugerente la nueva resonancia, y es la razón de que haya un explosión de artículos en plena Navidad. Por supuesto, también podría tratarse de un bosón más exótico, como un gravitón KK predicho por la teoría de Randall–Sundrum. La supersimetría, al menos el modelo más sencillo MSSM, puede descartarse como explicación natural.

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La mayoría de los artículos apuntan a una nueva simetría gauge tipo SU(N) con un sector oculto asociado formado por fermiones vectoriales (que no se acoplan a la interacción débil vía los bosones vectoriales W y Z como los fermiones del modelo estándar); por ejemplo, quirks en un nuevo SU(3), o leptones vectoriales en un nuevo SU(2). Muchos jóvenes físicos no han estudiado los fermiones vectoriales (asociados a la representación fundamental de una nueva simetría gauge), luego los nuevos artículos servirán para que aprendan los detalles de estas hipotéticas partículas.

Como dice la famosa Lisa Randall, de la Univ. Harvard, Cambridge, Massachusetts, EE.UU., en Nature: “estos cien artículos no hacen daño a nadie y tienen la ventaja de que hacen pensar a los físicos sobre lo que podría ser una nueva señal de este tipo. Si la resonancia desaparece tras el análisis de las colisiones de 2016, nos quedará todo lo que hemos aprendido”. Porque en ciencia siempre se aprende cuando nos enfrentamos a comprender una nueva anomalía, aunque al final el viento se la lleve junto con la Navidad.



6 Comentarios

  1. ¡ Qué interesante, ojalá no sea una inocentada ! ¿Hay alguien que pueda resolver algunas dudas?

    Por ejemplo, en el caso de que apareciera una nueva familia de fermiones, ¿por qué no los hemos detectado hasta ahora? ¿Quizás porque su interacción es muy débil y como propone en el artículo Francis no se acoplan vía bosones W y Z? Luego está la otra opción, la existencia de algunos leptones vectoriales.

    Si fuera algún tipo de gravitón, ¿ayudaría eso a discriminar entre las teorías de gravedad cuántica que pululan por ahí, descartando algunas?¿serviría para acercar el encaje de la gravedad con la cuántica?

    Otra duda, una familia nueva de fermiones, ¿podría dar cuenta de la materia oscura, al menos en parte?¿encaja con alguno de los modelos teóricos?

    Y la última. En caso de confirmarse la nueva simetría, ¿cómo afectaría al asunto de la energía de vacío?¿dejaría esto al Universo dentro de la estabilidad o seguiríamos estando en la zona de metaestabilidad? Lo digo más que nada porque tengo entendido que la aparición de nuevas simetrías más alla del SM dejaría el asunto en zona de estabilidad. Corregidme si estoy equivocado.

    No tengo muchas esperanzas de que la señal sea cierta, más bien creo que según se acumulen más fb irá desvaneciéndose para quedar en la nada. Ya me gustaría presenciar en vida señales de Física más allá del SM y descubrimientos trascendentales. Quién sabe, a lo mejor entre Maldacena, Susskind y el Run II del LHC hasta tenemos alguna alegría a la vuelta de la esquina.

    Perdón si alguna de mis preguntas no tiene mucho sentido.

    SalU2

    1. Sagutxo:

      Puede ser que la física mas allá del modelo estándar contenga un nuevo sector de fermiónico , lo que es mucho más difícil de creer es que este nuevo sector sea una cuarta generación (en el sentido de una copia “pesada” de las tres generaciones conocidas) pues hay cotas cosmológicas para el número de especies de neutrinos activos y dicha cota es 3 (las que observamos). Es misteriosa aún la razón de la existencia de esas tres generaciones 🙂 yo no sé de las explicaciones a esto (debe haber muchas) el único dato curioso que recuerdo de esto es que tres es el número mínimo de generaciones para que una teoría de campos con el grupo de gauge del modelo estándar sea libre de anomalías.

      ¿Por qué no se detectan? simplemente porque se espera que sean más masivas que lo que conocemos y se requiere cierta energía umbral para que una colisión pueda permitir una desintegración a la nueva partícula. Pero como mencionas la otra posibilidad es que los acoplos con los bosones de gauge conocidos sea muy débil.

      No puede ser un gravitón por la razón anterior, considera la constante de newton y compárala (en unidades naturales) con las demás constantes de acoplo, los efectos de gravedad cuántica en la escala electrodébil son insignificantes. Lo que sí podría ser es que apareciese el gravitino (su super-compañero)

      Sobre la metaestabilidad… también depende de los acoplos, si los acoplos son muy débiles con el sector de sabor conocido entonces no influirá mucho, si por el contrario son partículas pesadas habrá correcciones muy sutiles.

    2. Sagutxo pregunta: (1) “nuevos fermiones, ¿por qué no los hemos detectado hasta ahora?” porque tienen gran masa y su interacción con el modelo estándar es pequeña, luego se requiere mucha energía y mucha luminosidad. La idea de su existencia es antigua porque la mayoría de las GUT los predicen.

      (2) “gravitón, ¿ayudaría eso a discriminar entre las teorías de gravedad cuántica?” Sería un gravitón asociado a dimensiones extra del espacio de gran tamaño (submilimétrico), pero hoy en día se descarta violaciones de las leyes de Newton por encima de la escala submicrométrica, luego tendría que ser un gravitón exótico. Y por supuesto, un gravitón (por muy exótico que fuera) ayudaría a conocer mejor la gravedad cuántica.

      (3) “familia nueva de fermiones, ¿podría dar cuenta de la materia oscura?” Por supuesto, ofrecería varios candidatos a partícula para la materia oscura; el más razonable es el mesón exótico de menor masa, pero también se consideran gluebolas exóticas y otras propuestas.

      Y (4) “¿cómo afectaría al asunto de la energía de vacío?” Si fuera un gravitón RS, habría una explicación al problema de la jerarquía que también explica el valor para la densidad de la energía oscura. En otro caso se requiere que el escalar a 750 GeV sea una partícula compuesta y ello no afecta al vacío del Higgs. De hecho, en contra de que sea un nuevo escalar tipo Higgs está el hecho de que inestabiliza el vacío (y no existiríamos si solo existiera dicha partícula); luego habría que predecir la existencia de otras muchas partículas para estabilizarlo.

      Saludos
      Francis

  2. Es interesante la cuestión de si el MSSM está descartado hasta el punto en el que estamos, la respuesta es que por el momento no lo está. Es difícil que LHC confirme la existencia de SUSY aún observándola… imposible es descartarla, pero lo fascinante es que susy plantea muchas preguntas sobre el método científico.

    Una entrada de Francis al respecto de si está descartado el MSSM: (también Molt y Gordon Kane han discutido su estatus)

    https://francis.naukas.com/2015/05/31/la-supersimetria-mssm-se-resiste-a-morir/

  3. La verdad es que se plantea un año lleno de incertidumbres y no solo en el campo de la ciencia (no sabemos si tendremos gobierno, no sabemos si tendremos invierno… 🙂 ). De todas formas 2016 promete ser emocionante ¿Se confirmará el exceso a 750GeV? Si así fuera la Física fundamental entraría en una nueva era: un gravitón de RS confirmaría nada más y nada menos que la existencia de dimensiones extra, todo un nuevo sector de fermiones implicaría una nueva simetría y la ¿casi? confirmación de alguna teoría GUT además de la probable explicación de la materia oscura… la nueva física, sea cual sea, daría un enorme impulso a la Física fundamental. Por otro lado tenemos la detección de ondas gravitacionales, los experimentos sobre la desintegración doble beta, ondas gravitacionales primordiales, medidas de precisión de la gravedad a cortas distancias… la paradoja de la información en BH, dualidades, entropía de entrelazamiento, avances en dS/CFT, ER=EPR… ¿Se puede pedir más?
    El Universo que habitamos es un sitio increíble y sus secretos más profundos están a punto de ser desvelados. Esperemos que Francis nos siga narrando magistralmente los nuevos avances en este extraordinario blog.

  4. Pues muchas gracias por vuestra respuesta y ayuda, Ramiro y Francis. Y Feliz Año 2016 a todos.

    Plank, no te atormentes por la incertidumbre de si tendremos o no gobierno. Yo te lo compenso con una certidumbre; salga quien salga, todo seguirá igual. Seguiremos pagando impuestos para que vengan cuatro gatos y se queden con el dinero de todos con total impunidad. Y por supuesto la ciencia y la educación en España seguirán siendo las Cenicientas. No es pesimismo, es un mero cálculo de probabilidades inferidas a partir de la historia de nuestro país.

    SalU2

    SalU2

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 28 diciembre, 2015
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