Un megaxión a 750 GeV predicho por la teoría de cuerdas

Dibujo20160101 quarks and leptons at intersecting branes 750 gev luis ibanez arxiv org

El paradigma de la teoría de cuerdas permite explicar la resonancia a 750 GeV observada por ATLAS y CMS de varias formas. Un megaxión es la propuesta de los españoles Luis Ibáñez y Víctor Martín-Lozano, ambos del IFT UAM/CSIC. Este axión de gran masa es predicho por la teoría de cuerdas a baja energía. Las búsquedas fallidas en el LHC excluyen una energía (Ms) para la escala de la cuerda inferior a 7 TeV. El nuevo megaxión es una predicción compatible con valores de Ms ∼ 7 TeV–10 PeV, un amplio rango que depende de la compactificación que se elija para las dimensiones extra.

Como la mayoría de las propuestas en el paradigma de la teoría cuántica de campos, la nueva partícula debe estar acompañada de otras. El megaxión es un bosón pseudoescalar de tipo axión que se acopla a los gluones y a los fotones, pero no a los bosones W, por ello debe estar acompañado de un nuevo bosón Z’ (Z prima) con una masa inferior a Ms. Las búsquedas fallidas en el LHC excluyen un bosón Z’ con masa inferior a 1,5 TeV–3,0 TeV, según el modo de desintegración. Por tanto, hay hueco para un Z’ con masa inferior a 7 TeV que podría descubrir el LHC Run 2.

Por supuesto, hay otras propuestas en el paradigma de la teoría de cuerdas para explicar la nueva resonancia. Destaco esta concreta por sesgos puramente personales. El artículo es Luis E. Ibáñez, Víctor Martín-Lozano, “A Megaxion at 750 GeV as a First Hint of Low Scale String Theory,” arXiv:1512.08777 [hep-ph]. Puedes consultar otras propuestas en Luboš Motl, “Diphoton resonance from D3-branes or closed strings,” The Reference Frame, 29 Dec 2015.

PS [02 Ene 2015]: Comenta César Tomé (@EDocet) en Twitter que “Donde dice ‘paradigma’ [mal] léase ‘contexto’. El paradigma (DRAE-2) de la teoría de cuerdas NO es un paradigma, por definición de paradigma (Kuhn). Sí es un paradigma (DRAE-1) de abuso”. Entre mis propósitos para 2016, a corto plazo, está escribir una entrada sobre qué quiero decir cuando hablo de paradigma en esta entrada y en el contexto de las ideas de Kuhn y prosélitos.

Dibujo20160101 central value of the cross section of the excess at 750 gev luis ibanez arxiv org

Ibáñez y Martín-Lozano construyen un modelo para la resonancia a 750 GeV asumiendo que su anchura es inferior, pero similar, a 45 GeV (valor preferido por ATLAS, ya que CMS prefiere una anchura inferior). Un bosón pseudoescalar tipo axión producido por la fusión de gluones podría escapar a su detección en las colisiones a 8 TeV c.m. de 2012 siempre que se acople a gluones y fotones, pero no a los bosones W. Para ello recurren a un axión monodrómico (monodromy axiona_0 con una masa m_{a_0}, similar a los predichos en los modelos inflacionarios monodrómicos basados en cuerdas.

No quiero entrar en los detalles del lagrangiano efectivo para el axión acoplado a gluones y fotones con constantes g_g y g_\gamma. El potencial del axión se genera vía instantones, siendo periódico bajo la transformación a_0{\to}a_0+2\pi\,f. Esta figura muestra los límites de exclusión actuales en el plano (f/g_\gamma,f/g_g). La banda verde y amarilla muestra los valores permitidos para el megaxión.

Lo más importante es la estimación de la anchura de la nueva resonancia. En símbolos tendríamos

\displaystyle\sigma(pp{\to}a_0{\to}\gamma\gamma)=\frac{C_{gg}}{\Gamma_{a_0}m_{a_0}s}\Gamma(a_0{\to}gg)\Gamma(a_0{\to}\gamma\gamma),

 

donde para colisiones a 13 TeV c.m. se tiene C_{gg}=2137 y además

\displaystyle\Gamma(a_0{\to}\gamma\gamma)=\kappa_\gamma^2\frac{m_{a_0}^3}{64\pi},

 

\displaystyle\Gamma(a_0{\to}gg)=\kappa_g^2\frac{m_{a_0}^3}{8\pi},

 

con la anchura de la resonancia \Gamma_{a_0}=\Gamma(a_0{\to}gg)+\Gamma(a_0{\to}\gamma\gamma).

Dibujo20160101 effective coupling axion to photons versus effective coupling axion quarks 750 gev luis ibanez arxiv org

La figura de arriba muestra los valores de los parámetros (\kappa_\gamma,\kappa_g) compatibles con los límites de exclusión actuales. Claramente hay hueco para una anchura \Gamma(a_0\to \gamma\gamma) < 45 GeV.

 

Todo indica que un megaxión a_0 puede explicar la resonancia a 750 GeV observada por el LHC Run 2. Por supuesto, este axión se puede explicar usando el paradigma de la teoría cuántica de campos. Pero Ibáñez y Martín-Lozano nos cuentan como se puede explicar en el paradigma de la teoría de cuerdas. En concreto en el esquema de branas en interacción que aparece en la figura que abre esta entrada. El modelo estándar (quarks y leptones) residen en las intersecciones entre cuatro pilas de D6-branas denotadas a, b, c y d en la figura, que corresponden a la simetría gauge U(3)_a\times U(2)_b\times U(1)_c\times U(1)_d.

Sin entrar en más detalles técnicos, estos modelos cuerdísticos predicen de forma genérica un conjunto de axiones en el sector Ramond-Ramond. El axión más ligero será único y tendrá una masa muy por debajo de la escala Ms (recuerda que es mayor de 7 TeV). Además estará acoplado a los campos U(1), pero no a los SU(2). Dicho axión más ligero es el megaxión que explicaría la resonancia a 750 GeV.

Permíteme acabar recordando que la gran ventaja de los paradigmas comprensivos, como la teoría cuántica de campos o la teoría de cuerdas, es que permiten construir modelos para describir cualquier nuevo resultado experimental que se observe. Toda nueva partícula, toda nueva resonancia, debe tener una explicación natural en el paradigma. Los paradigmas sin la potencia expresiva suficiente deben ser descartados.



7 Comentarios

  1. La teoría de cuerdas no es una teoría (en el sentido del término usado en filosofía de la ciencia), igual que la teoría cuántica de campos tampoco lo es. La teoría de cuerdas es un paradigma (pero cuando nació c. 1970 no se sabía).

    Un paradigma comprende múltiples teorías y una teoría es aplicable a múltiples modelos.

    La definición usual de axión es que se trata de un bosón de Nambu-Goldstone sin masa a nivel clásico (algo que contradice las observaciones). Efectos cuánticos debidos a instantones asociados a que la simetría gauge sea no lineal implican que los axiones pueden adquirir masa; en el contexto de los instantones QCD (simetría de Peccei–Quinn) el axión adquiere una masa muy pequeña. Sin embargo, en teoría de cuerdas aparecen otros instantones que permiten que un axión adquiera una masa muy grande (hasta la escala Ms).

    La teoría de cuerdas no tiene el monopolio de ninguna verdad de la física, como tampoco lo tiene la teoría cuántica de campos, pues en ciencia no existen las verdades. Recomiendo consultar esto, o esto, o esto (o mejor cualquier libro de texto de filosofía de la ciencia).

  2. Entiendo el concepto de paradigma en historia de la ciencia así: desde hace algo más de tres siglos vivimos instalados en el paradigma copernicano-galileano, cuyo precepto fundamental es que considera a la experimentación/observación como único modo de confirmar las conjeturas e hipótesis. Bajo este paradigma la ciencia se define por el método experimental: este es un precepto compartido por toda la comunidad científica y por lo tanto no puede ser objeto de discusión. La evolución habida dentro de este paradigma desde la mecánica clásica de Newton hasta la teoría cuántica de campos actual, pasando por la relatividad y la mecánica cuántica, no son sino capítulos del mismo que amplían el ámbito de hechos de la naturaleza que pueden ser explicados científicamente. En este contexto, si finalmente se demostrase experimentalmente que el modelo de cuerdas es correcto para explicar hechos experimentales ya conocidos y también para hacer nuevas predicciones avaladas por la observación/experimentación, nos encontraríamos en un capítulo más del paradigma copernicano-galileano, pero no se habría producido un cambio de paradigma.

    Francis, hasta donde soy capaz de colegir por sus entradas y comentarios, propone aplicar el término paradigma a cualquier cambio más o menos traumático y/o significativo de nuestras teorías físicas aceptadas. Así los capítulos principales del paradigma copernicano-galileano serían para él paradigmas propiamente dichos. ¿Es correcta esta visión? Pues depende de cómo queramos entender el concepto de paradigma en la historia de la ciencia.

    Fue Kuhn el que introdujo la idea de paradigma. Y es cierto que en sus escritos habla de periodos de “ciencia normal”, en los que los científicos se dedican a trabajar dentro del conjunto de teorías aceptadas por la comunidad. A este conjunto de teorías aceptadas y compartidas por la comunidad científica en un determinado momento Kuhn lo denominó paradigma. El cambio de paradigma se produciría cuando las anomalías acumuladas por el paradigma antiguo son resueltas por nuevas conjeturas y/o modelos teóricos. Y en este sentido sería, aparentemente, correcto hablar de distintos paradigmas para referirse a la mecánica clásica, la relatividad, o la mecánica cuántica. Sin embargo quedarse sólo con lo mencionado para justificar la aplicación del término paradigma a los distintos capítulos que ha vivido la ciencia es contar con la mitad de la verdad, puesto que la fuerza de la idea de los paradigmas de Kuhn no radica en la mera sustitución de un modelo teórico predominante por otro. Si fuese así, ¿para qué introducir nuevos términos cuando el concepto de “modelo” o “modelo teórico predominante” es suficientemente explicativo para el fin perseguido?

    Kuhn asoció a su idea de paradigma un sentido mucho más profundo que la mera sustitución de un modelo teórico por otro: “But a paradigm is more tan just a theory (although Kuhn uses sometimes the word interchangeably). When scientists share a paradigm they do not just agree on certain scientific propositions, they agree also on how future scientific research in their field should proceed, on which problems, are the pertinent ones to tackle, on what the appropriate methods for solving those problems are, on what an acceptable solution of the problems would look like, and so on. In short, a paradigm is an entire scientific outlook –a constellation of shared assumptions, beliefs, and values that unite scientific community and allow normal science to take place” (Philosophy of Science, Samir Okasha, OUP, 2002, página 81).

    Por lo tanto un cambio de paradigma, en el sentido original que le dio Kuhn, es muchísimo más que la mera sustitución de una teoría por otra, implica un cambio completo de forma de entender cómo se hace ciencia. Ante un cambio de paradigma puede ocurrir que unos mismos datos experimentales sean interpretados y aceptados de un modo completamente diferente en ambos paradigmas, que lo que antes tenía valor absoluto como evidencia objetiva ahora pase a tener un simple valor residual, o también que los criterios de aceptación de las hipótesis y conjeturas sean diferentes al paradigma anterior. Lo que va implícito en la idea de paradigma de Kuhn es una visión completa, de 360º, de qué entendemos por ciencia y como desarrollamos esta actividad. En este sentido, Kuhn fue pionero en introducir la irracionalidad como factor en evolución de la ciencia como actividad humana, y no debe extrañar por tanto que dijese explícitamente que un cambio de paradigma no se puede hacer sólo con la razón, si no que implica un cierto acto de fe inicial por parte de los potenciales conversos y ciertas “acciones de presión” por parte de la comunidad proponente del nuevo paradigma. Llevado hasta el extremo, la idea de paradigma de Kuhn enlaza con el holismo lógico de Quine y su “web of beliefs”, otra idea fuertemente corrosiva con la que se ha atacado a la ciencia como actividad lógica y coherente. A raíz de lo anterior no debe extrañar que las ideas de Kuhn hayan sido tan polémicas, y que por supuesto que no tengan aceptación universal en la comunidad de la filosofía de la ciencia y hayan sido fuertemente criticadas.

    En resumidas cuentas, si nos fijamos de forma completa en el concepto de paradigma que introdujo Kuhn, resulta razonablemente claro que si decidimos utilizar dicho concepto lo debemos hacer con todas sus consecuencias, porque si lo hacemos sólo a medias, interpretándolo como un simple cambio de teoría, el concepto se convierte en estéril e inoperativo, y no aporta ningún valor añadido a otras ideas más simples que han querido explicar la evolución de la ciencia, por ejemplo las derivadas del positivismo lógico.

    En este contexto no debe resultar chocante que los proponentes o defensores de las cuerdas como marco teórico para explicar la Naturaleza sean firmes defensores de introducir el concepto de paradigma en sus reflexiones. Porque ante la imposibilidad de confirmar su conjetura en el marco del actual paradigma copernicano-galileano, basado en la verificación experimental como único medio de aceptar los nuevos modelos teóricos, quieren promover un cambio de paradigma, un cambio en el modo de entender y hacer ciencia: cuando la verificación experimental de las hipótesis no sea posible, bastarán los criterios de fertilidad matemática, coherencia con las teorías existentes, grado de dominio en la comunidad, …, para, si no confirmar la hipótesis, sí al menos validar su viabilidad como marco de trabajo dominante y de consenso. Como se ve, una nueva forma de hacer ciencia.

    Bueno, espero que por el bien de la ciencia no tengamos que desistir nunca de nuestro paradigma copernicano-galileano, bautizado así en honor de las figuras que contribuyeron a consolidar el método experimental como única medida de la verdad científica.

    Feliz Año 2016 a todos los lectores del blog de Francis.

    1. Gracias, Jesús, me gustaría destacar que Kuhn era doctor en física teórica (1949), que impartió cursos de historia de la ciencia (en los 1950) y luego se transformó en filósofo de la ciencia (en los 1960). Por ello, el enfoque de Kuhn es el que mejor describe el desarrollo de la física teórica. Extender sus ideas a otras áreas de la ciencia lleva a ciertas anomalías (que han sido el agosto de muchos filósofos de la ciencia tras Kuhn). Leer los primeros libros de Kuhn permite entender perfectamente la evolución de la física teórica en la actualidad.

      1. Francis, bien es sabido que las tesis de Kuhn respecto a la evolución de la ciencia, tal y como está expuesta en The Structure of Scientific Revolutions (1962), se basa en el concepto de revolución científica, que se dirime en última instancia no por fuerzas racionales, sino en gran medida por preferencias subjetivas, por las idiosincrasias de las figuras principales del debate, e incluso por la presión social. En su penúltimo capítulo, el 11, The Resolution of Revolutions, compara incluso las revoluciones científicas con cambios de forma (gestalt switches) y “experiencias de conversión”, lo cual empieza a estar peligrosamente cerca del holismo lógico –y la pseudociencia.

        Permíteme indicar que cuando se lee por primera vez, el libro de Kuhn parece una revelación, el relato que nos presenta parece perfectamente lógico. Pero eso no quiere decir que sea cierto o verdadero. Con el tiempo he aprendido que en la filosofía de la ciencia existen muchas tesis aparentemente impecables por la aparente belleza y corrección de su lógica, pero no debemos olvidar que esas tesis se deben aplicar a un universo de hechos concretos, que es la historia de la ciencia. Basta con encontrar en dicha historia un contraejemplo que contradiga la tesis para demostrar su falsedad. Y lo cierto es que, objetivamente mirado, a día de hoy, se puede afirmar sin visos de error que la evolución de la ciencia ha estado anclada siempre y fundamentalmente en el hecho experimental, por lo que no parece plausible que lo irracional, lo no dogmático, las ideas extraordinarias, como afirma Kuhn, sean el motor de las revoluciones científicas. Es obvio que las ideas disruptivas pueden ser útiles para salir de situaciones de impasse, pero al final el físico propone y la naturaleza dispone.

        El texto de Kuhn fue sometido a una crítica feroz, y el propio Kuhn se tuvo que retractar de sus tesis más extremas en su segundo texto fundamental: Objectivity, Value Judgment, and Theory Choice (1970). A día de hoy la teoría de Kuhn presenta el estatus de una simple tesis más dentro de la filosofía de la ciencia, que aporta algunas ideas interesantes para construir una historia de la ciencia consistente, pero como concepto global se puede considerar refutada por la propia historia de la ciencia.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 1 enero, 2016
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science
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