Desde hace ya algunos meses hay un intenso debate en la comunidad científica cuyos protagonistas principales son el bosón de Higgs y la supersimetría. Como enfatizamos en nuestro post anterior, la supersimetría se introdujo para resolver uno de los problemas más importantes de la Física Teórica en la actualidad: el problema de la jerarquía. Que este problema se pueda resolver postulando una simetría que bien podría estar ahí y que no hemos percibido aún es probablemente la solución más elegante a los ojos de un físico teórico. Sin embargo, las virtudes de la supersimetría van más allá de la resolución del problema de la jerarquía. En efecto, considerar una versión del Modelo Estándar de Partículas que incorpore la supersimetría ha dado pie a muchos resultados teóricos interesantes, algunos de los cuales comentamos más abajo. Esto ha hecho que históricamente la supersimetría a bajas energías (del orden de 1 – 10 TeV) sea la opción favorita de muchos para describir la física más allá del Modelo Estándar.

 

Sin embargo, la supersimetría predice también la existencia de muchas partículas, los compañeros supersimétricos, que también se deberían de poder detectar en el LHC. Hasta el momento no sólo no se han detectado estas partículas, sino que no hay ninguna pista de que vayan a aparecer en las próximas colisiones que se realizarán en el LHC. Esto ha hecho que algunos de los defensores de la supersimetría se replanteen su postura, y empiecen a explorar otras posibilidades.

 

A continuación veremos algunos de los fenómenos e ideas que se derivan de considerar un mundo donde existe la supersimetría a bajas energías, así como en qué medida los últimos datos del LHC están poniendo a esta idea en aprietos. De este modo cada uno podrá formarse su propia opinión sobre la existencia o no de la supersimetría. En cualquier caso, si bien todas las opiniones son válidas, en física es siempre el experimento quien tiene la última palabra, así que para desvelar esta incógnita habremos de seguir atentos a lo que ocurrirá en el LHC en los próximos meses.

 

¿Por qué a los físicos le gusta la supersimetría?

 

Constantes de acoplo y unificación


Quizás el resultado más celebrado en la comunidad pro-supersimetría sea el de la unificación de las constantes de acoplo. En mecánica cuántica muchas cantidades físicas como la masa del Higgs dependen de la energía a la que se midan, debido al efecto de las correcciones radiativas. Una cantidad importante que recibe correcciones radiativas es la intensidad que tiene una interacción fundamental como el electromagnetismo o las fuerzas nucleares. Esta intensidad se mide mediante lo que se llama constante de acoplo de la interacción, y es un hecho experimental que esta constante de acoplo es muy distinta para las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Por ejemplo, a energías cotidianas la interacción nuclear fuerte tiene una constante de acoplo enorme comparada con las demás, y es por esto que las componentes del núcleo atómico, los protones y neutrones, parecen partículas indivisibles. A energías más altas, sin embargo, esta intensidad disminuye, lo que permite estudiar el interior de los protones y neutrones y darse cuenta de que están compuestos de quarks. Esta propiedad se conoce como Libertad Asintótica y su descubrimiento mediante el efecto de las correcciones radiativas le valió a Gross, Politzer y Wilczek el Premio Nobel de Física en el 2004.

 

Si mediante este tipo de cálculos teóricos uno sigue la evolución de la constante de acoplo de la interacción nuclear a energías más y más altas, se da cuenta de que el valor de esta constante es cada vez menor, mientras que las otras dos constantes de acoplo del Modelo Estándar, que corresponden a la fuerza nuclear débil y al electromagnetismo, se van haciendo cada vez mayores. Llegando a la energía de 1015 GeV estas tres constantes de acoplo están relativamente cerca, como se puede ver en la siguiente figura.




Que las constantes de acoplo coincidan tiene una interpretación bastante importante. Si coinciden, es bastante plausible que estas tres interacciones vengan de una única interacción a energías muy altas, con una única constante de acoplo. De esta manera las interacciones fundamentales del Modelo Estándar se verían simplificadas enormemente, pues se reducirían a una sola que, por algún motivo, vemos como varias interacciones distintas a bajas energías. Descubrir tal tipo de unificación es en cierta medida el sueño de muchos físicos teóricos y de hecho hay varias propuestas al respecto, conocidas como teorías de Gran Unificación.

 

¿Qué papel juega la supersimetría en toda esta historia? Al introducir supersimetría las correcciones radiativas cambian. No sólo cambian para la masa del Higgs sino también para las constantes de acoplo. Más precisamente, uno puede considerar una extensión del Modelo Estándar que incorpore supersimetría, cuya versión más sencilla es conocida como MSSM (acrónimo de Minimal Supersymmetric Standard Model), y calcular las correcciones radiativas a las contantes de acoplo en este modelo. Es posible ver entonces que en el MSSM las tres constantes de acoplo coinciden con mucha más precisión que en el Modelo Estándar, ahora a una energía de unos 1016 GeV, como muestra la siguiente figura. Esto hace pensar que el MSSM aparece de forma natural en las teorías de gran unificación, lo que es bastante sorprendente e induce a pensar que podría haber una conexión bastante profunda entre todas estas ideas.

 

 

 

Materia oscura


De ser cierta la existencia de supersimetría a bajas energías, los procesos físicos que se esperan observar en experimentos todavía dependen en gran medida de la forma particular en la que la supersimetría se encuentra rota. Esto introduce un gran número de parámetros libres en los modelos supersimétricos y dificulta mucho la búsqueda experimental.

 

Sin embargo, no todas las configuraciones de los parámetros dan pie a un mundo tal como el que observamos en los aceleradores y a menudo se han de postular simetrías adicionales que pongan restricciones a los posibles valores de algunos de estos parámetros. Por ejemplo, una de las dificultades teóricas de los modelos supersimétricos es conseguir que el protón sea suficientemente longevo (¡experimentalmente sabemos que el tiempo medio de desintegración del protón es mayor que 1031 años!). La manera más sencilla (pero no la única) de conseguir esto es postular una cierta simetría adicional denominada paridad R, que prohíbe algunos procesos físicos como éste, en los que la carga bariónica y/o leptónica no se conservan.

 

El principal rasgo de los modelos supersimétricos que incorporan la simetría R es que la partícula supersimétrica más ligera (la denominada LSP, del inglés Lightest Supersymmetric Particle) es completamente estable. De este modo la paridad R, además de explicar la longevidad del protón, proporciona un candidato natural a materia oscura. En efecto, observaciones astronómicas basadas en las velocidades de rotación de las galaxias o en la forma en la que la luz se desvía al pasar cerca de cúmulos de galaxias indican que el 83 % del universo esta constituido por una o varias partículas muy elusivas cuya naturaleza todavía nos es desconocida. La partícula LSP en modelos supersimétricos con paridad R posee las características idoneas para ser el constituyente fundamental de toda esta materia oscura.

 

¿Por qué los últimos resultados del LHC ponen a la supersimetría en aprietos?

 

Hasta ahora, la búsqueda en el LHC se ha centrado principalmente en modelos supersimétricos que incorporan paridad R. Esto es debido en parte a que la presencia de esta simetría tiene consecuencias fenomenológicas muy específicas. En efecto, el principal rasgo de tales modelos es que en última instancia las partículas supersimétricas decaen a la partícula LSP, que al ser completamente estable escapa de los detectores del experimento. De este modo, algunos de los canales más importantes para la búsqueda de supersimetría en este tipo de modelos son colisiones de protones cuyo producto final son varios quarks o gluones y energía que escapa del detector.

 

Desde su puesta en marcha y paralelamente a la búsqueda del Higgs, los físicos experimentales han estado escrutinizando detenidamente los datos del LHC en busca de este tipo de procesos. A día de hoy sus resultados muestran que en modelos con paridad R los gluinos (los compañeros supersimétricos de los gluones) han de tener una masa superior a 900 GeV si los squarks (los compañeros supersimétricos de los quarks) son extremadamente pesados, o de 1.5 TeV si squarks y gluinos tienen aproximadamente la misma masa. 

 

Además, puesto que los modelos supersimétricos con paridad R predicen la abundancia de materia oscura en el universo, es posible comprobar su validez mediante experimentos cosmológicos como los satélites WMAP y Planck. Estos experimentos permiten medir la abundancia de materia oscura, lo cual da lugar a  importantes cotas experimentales en los modelos supersimétricos con paridad R.

 

Sin embargo, las cotas experimentales más fuertes para modelos supersimétricos no siempre vienen de procesos en los que hay una carencia de energía o a través de cotas cosmológicas. A menudo las medidas más restrictivas están relacionadas con procesos de desintegración exóticos mediados por los compañeros supersimétricos de las partículas del Modelo Estándar. Algunos ejemplos característicos de este tipo de desintegraciones exóticas son aquellos en los que una partícula Bs se desintegra en un muón y un antimuón, o en los que una partícula B se desintegra en un mesón Xs y un fotón. Este tipo de fenómenos son extremadamente raros en el Modelo Estándar. Sin embargo, los modelos supersimétricos a menudo predicen una mayor frecuencia de estos procesos. Uno de los detectores del LHC, el denominado LHCb, esta diseñado específicamente para buscar este tipo de procesos de desintegración. En los últimos meses los científicos del LHCb han publicado fuertes cotas experimentales a este tipo de desintegraciones exóticas basados en los datos recientes.

 

Finalmente, un bosón de Higgs con una masa en torno a los 125 GeV, como los resultados preliminares del LHC parecen indicar, pone también importantes restricciones a los posibles modelos supersimétricos. Como hemos comentado en nuestro anterior post, supersimetría predice la existencia de un bosón de Higgs ligero. Si bien un bosón de Higgs de 125 GeV de masa todavía se cosidera ligero, es suficientemente pesado como para poner importantes restricciones a los parámetros de modelos supersimétricos. Estas restricciones a menudo se encuentran en tensión con las que se obtienen a partir de otras medidas experimentales, como las que hemos descrito anteriormente.

 

De este modo, y sin entrar en detalles técnicos, podemos afirmar que los datos experimentales que han aparecido en los últimos meses estan poniendo en serias dificultades a algunos de los modelos supersimétricos más sencillos, como el popular MSSM. Así pues, comienza a observarse cierta tendencia en las publicaciones científicas más recientes a considerar modelos supersimétricos más complejos, que permiten la existencia de un bosón de Higgs con una masa en torno a los 125 GeV y al mismo tiempo evaden todas las cotas experimentales anteriores. Estos modelos difieren del MSSM en que explican la longevidad del protón mediante simetrías diferentes a la simetría R, como por ejemplo la denominada trialidad bariónica, o en que incorporan nuevas partículas, como es el caso del denominado NMSSM (del inglés, Next-to-Minimal Supersymmetric Standard-Model). En los próximos meses los nuevos datos que experimentos como el LHC o Planck vayan produciendo permitirán constreñir (o de lo contrario evidenciar) experimentalmente algunos de estos modelos “no mínimos”.

 

Pablo González Cámara y Fernando Marchesano
Pablo González Cámara y Fernando Marchesano

Pablo González es investigador postdoctoral del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona.

Fernando Marchesano es investigador Ramón y Cajal del Instituto de Física Teórica del CSIC, Madrid.

Sobre este blog
A través de poderosos experimentos como el LHC, la fí­sica de altas energí­as está a punto de entrar en una emocionante etapa, llena de descubrimientos que se proclaman tales cuando hay cinco sigmas de seguridad. Desde aquí seguiremos las novedades que irán aconteciendo en este campo, y veremos cómo se van resolviendo viejos enigmas y se plantean otros nuevos.
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