Supersimetría
En la física de partículas, la supersimetría es una simetría hipotética que podría relacionar las propiedades de los bosones y losfermiones. La supersimetría también es conocida por el acrónimo inglés SUSY.
Aunque todavía no se ha verificado experimentalmente que la supersimetría sea una simetría de la naturaleza,1 reviste interés teórico porque la supersimetría puede resolver diversos problemas teóricos como el problema de la jerarquía, además de ofrecer candidatos adicionales para explicar la materia oscura.
La supersimetría es parte fundamental de muchos modelos teóricos, entre ellos la teoría de supercuerdas, que generaliza a la teoría de cuerdas.Según el modelo estándar (SM, de sus siglas en inglés) de la física de partículas, la materia está formada por fermiones (a su vez divididos en quarks y leptones), y por bosones que son las partículas que transmiten las interacciones fundamentales de la naturaleza (interacción electromagnética, interacción nuclear fuerte e interacción nuclear débil). La supersimetría extiende el número de partículas del SM de forma que a cada partícula le corresponde una compañera supersimétrica denominada super compañera. Así, cada bosón tiene una super compañera fermión y viceversa. Las super compañeras de los fermiones son bosones y reciben nombres que comienzan con la letra s; así, el electrón tiene como super compañera el selectrón, y los quarks, los squarks. Las super compañeras de los bosones son fermiones con nombres que terminan en -ino, así la del fotón es el fotino y la del gravitón (si se incluye la gravedad en el modelo), elgravitino. La extensión mínima del modelo estándar que incluye supersimetría se conoce como MSSM (del inglés: Minimal Supersymmetric Standard Model).
Sin embargo, debido a que dichas compañeras supersimétricas aún no han podido ser creadas en el laboratorio, sus masas deben ser mucho mayores que las de las partículas originales. Esto implica que la supersimetría, de ser cierta, está rota por algún mecanismo. La especificación de dicho mecanismo da lugar a diversas simplificaciones del MSSM.
Algunas partículas supersimétricas, como el neutralino, podrían explicar el problema de la materia oscura del universo.
Gracias al gran potencial de poder explicar muchas preguntas de la Física de Partículas y de la Astrofísica, la teoría de la supersimetría posee una gran popularidad, principalmente en la Física Teórica. La mayoría de las teorías científicas populares, la Teoría de la gran unificación y de la Teoría de supercuerdas, son supersimetricas. Sin embargo, a pesar de los argumentos teóricos alentadores, hasta ahora no se ha podido demostrar experimentalmente que la supersimetría existe realmente en la naturaleza.El primer modelo en la física de partículas fue presentado en el año 1973 por Julius Wess y Bruno Zumino.2 Este modelo, conocido con el nombre de Modelo de Wess-Zumino, no es un modelo real de la naturaleza, sino más bien, un modelo mínimo supersimétrico con solo un Fermión y su super compañero Boson. A pesar de que el modelo de Wess-Zumino no representa un modelo físico real, sirve por su sencillez de modelo ejemplo para mostrar ciertos aspectos de los modelos físicos supersimétricos. El primer modelo supersimétrico compatible con el modelo estándar de la física de partículas llamado Modelo Mínimo Estándar Supersimétrico (MSSM), fue enunciado en el año 1981 por Howard Georgi y Savas Dimopoulos. Según el MSSM, las masas de los super compañeros se podrán observar en la región entre 100 GeV hasta 1 TeV mediante el acelerador de partículas conocido como "gran colisionador de hadrones" (en inglés, Large Hadron Collider, LHC), terminado de construir en el año 2008 en la frontera franco-suiza. Los científicos esperan poder demostrar mediante el LHC la existencia de los super compañeros de las partículas elementales ya conocidas.Recientes mediciones sobre las colisiones en el LHC no han dado pistas sobre la existencia de las partículas predichas por la supersimetría lo que resulta ser un gran golpe a la teoría ya que aunque no la desecha por completo representa en gran medida re-inventar modelos como el anteriormente citado (Wess-Zumino) ya que en los rangos energéticos propuestos no se ha encontrado nada aún, aunque cabe esperar puesto que no son datos definitivos pero si con altas probabilidades estadísticas.
La Supersimetría (SUSY) es una propiedad propuesta del universo, siendo una de las mejor motivadas extensiones del Modelo Estándar.
El estudio de esta propiedad es uno de los objetivos de los detectores de propósito general ATLAS y CMS del LHC.
La Supersimetría implica que para cada tipo de partículas haya otra asociada-supercompañera- de gran masa. Se trata de una réplica en forma de bosón si la partícula "normal" es un fermión y vicerversa.
Por ejemplo, la supercompañera del electrón (fermión) es el llamado selectrons (bosón), y el del fotón (un bosón) es el fotino (fermión).Estas partículas supersimétricas, ospartículas, tienen la misma carga pero obviamente spin diferente al de su compañera. Así, por ejemplo, el electrón tiene spin 1/2, mientras que el selectrón tiene spin 0: y el fotón tienie spin 1, mientras que el fotino tiene spin 1/2.
La Supersimetría describe una nueva imagen de nuestro universo formado por pares de partículas, de las que habitualmente solo podemos ver una de ellas. Quizás las otras sean las responsables de la misteriosa "materia oscura".
Aunque non han sido observadas, puede que aparezcan como resultado de las colisiones en el LHC.
Las partículas supersimétrias podrían proporcionar un camino para la unificación (Grand Unification, grand unified theory, GUT) de tres de las fuerzas fundamentales: laelectromagnética, la débil y la fuerte, que estaría situada a energías extremadamente altas del orden de 1016 GeV.
La Supersimetría, en particular una versión llamada modelo supersimétrico minimal, alcanza esa unifación de una forma más natural. Predice 5 tipos diferentes de bosones de Higgs lo que implica un proceso más complicado para comprender como las partículas adquieren masa, si lo comparamos con el Modelo Estándar que solamente necesita de un Bosón de Higgs.
¿En qué consiste la supersimetría y cómo ayudaría a explicar la materia oscura?
Contesta Emma Torró Pastor, investigadora del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto CSIC-Universitat de València, cuya tesis doctoral trata precisamente de la búsqueda de supersimetría en el experimento ATLAS del LHC.
Supersimetría (o como la conocen los físicos por sus siglas en inglés,SUSY) es una de las teorías más populares que postulan la existencia de física más allá del Modelo Estándar de Física de Partículas (teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones). El Modelo Estándar se construye a partir de simetrías muy fundamentales que dan lugar a leyes de conservación: SUSY incluye todas las simetrías que ya contiene el Modelo Estándar y añade otra más que involucra a un número cuántico llamado espín (en inglés spin, 'giro'), una propiedad de las partículas elementales que hace referencia a su momento angularintrínseco.
Este número cuántico divide a todas las partículas conocidas en dos tipos: fermiones (con espín semientero) y bosones (con spin entero). Los fermiones en el Modelo Estándar son los quarks y los leptones (como por ejemplo el electrón), mientras que los bosones son los mediadores de las interacciones (como por ejemplo el fotón).
Lo que postula SUSY es que a cada partícula del Modelo Estándar le corresponde un compañero supersimétrico que tiene el espín contrario. Es decir, por cada fermión, SUSY añade un bosón y por cada bosón añade un fermión. Por tanto, el número de partículas predicho por SUSY es el doble que en el Modelo Estándar.
Si esta teoría es cierta, el LHC debería ser capaz de producir estos compañeros supersimétricos en sus colisiones, puesto que sus masas deben estar en el rango de energías en el que LHC trabaja (14 TeV cuando alcance su máxima energía, a partir de 2015). Los dos experimentos más grandes del LHC (ATLAS y CMS), denominados 'de carácter general', tienen un programa muy extenso de búsqueda de supersimetría diseñado para, en caso de que SUSY sea correcta, detectar su señal.
En cuanto a la relación entre SUSY y la materia oscura, en la mayoría de modelos de supersimetría (es una teoría de la que existen muchas variantes, cada una de las cuales predice fenomenologías diferentes), la partícula supersimétrica más ligera (en inglés LSP: lightest supersymmetric particle) es necesariamente neutra y estable. Esto significa que nuestro Universo estaría lleno de estas partículas masivas, neutras y estables, que por tanto serían buenas candidatas a formar la materia oscura.
Si se llega a verificar la existencia de SUSY y se consigue medir la masa de la LSP seremos capaces de decir mucho más sobre si con SUSY es suficiente para explicar la materia oscura o si se necesita algo más.
A principios de 2013 el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), el acelerador de partículas más potente que se ha construido jamás, se tomó unas merecidas vacaciones. Entre sus medallas destacaba el descubrimiento del bosón de Higgs, una partícula elemental largo tiempo codiciada que supuso un nobel de Física. Este domingo el LHC se despertó para volver al trabajo en el CERN y abrir la senda hacia una nueva física que lo cambie todo.
La principal novedad de este LHC 2.0 es que funcionará a mayores energías: cuando alcance la plena potencia a comienzos de junio, sus protones circularán al doble de potencia del que lo hacían hace unos años, nada más y nada menos que 6,5 TeV (teraelectrónvoltio). “Nos adentramos en una zona desconocida. No sabemos cómo se comporta la naturaleza a esas energías”, asegura a Teknautas el investigador del Instituto de Física Teórica Alberto Casas, que compara la aventura con el viaje de Colón a América, adonde nunca nadie había llegado antes.
'El bosón de Higgs cerró el capítulo de la física estándar y los próximos descubrimientos abrirán uno nuevo'
Aunque no sepamos qué se puede encontrar, todo apunta a que el LHC volverá a hacer historia. Casas comenta que hay misterios que no se entienden de la física actual (es decir, el modelo estándar de la física de partículas) y que una nueva física fundamental sí podría explicar. “El bosón de Higgs cerró el capítulo del modelo estándar, y los próximos descubrimientos abrirán un nuevo capítulo en la física”. El investigador está convencido de que este hallazgo tendría “más trascendencia que el bosón de Higgs”, ya que las teorías actuales tienen problemas de consistencia interna. Falta algo, y el Gran Colisionador de Hadrones tiene la tecnología necesaria para encontrarlo. Estos son algunos de los hallazgos que asoman por el horizonte.
Supersimetría
SUSY, para los amigos. Esta simetría hipotética relaciona las propiedades de los bosones y los fermiones. La confirmación de esta hipótesis podría “resolver los problemas del modelo estándar”, según aclara Casas. Por este motivo, parte de los nuevos experimentos del CERN irán encaminados en esta dirección.
Esta teoría predice la aparición de determinadas partículas supersimétricas, como el neutralino, que servirían para resolver los problemas de la física actual, y por este motivo el LHC intentará encontrar estas nuevas partículas.
Materia oscura
Esta materia extraña es, según Casas, “la razón más fuerte que tenemos para pensar que el modelo estándar no es completo”. Aunque ya hay experimentos bajo montañas y en minas para intentar detectarla, uno de los objetivos del LHC será producirla artificialmente, gracias a que las colisiones entre protones tienen una pequeña probabilidad de dar lugar a un par partícula-antipartícula de materia oscura.
“Si se detecta uno de estos pares estaremos muy seguros de que hemos producido materia oscura y sería un éxito extraordinario”, asegura el investigador. Aunque se cree que supone el 85% de toda la materia del universo, de momento la materia oscura sólo se ha podido detectar por sus efectos gravitatorios sobre estrellas y galaxias. Su descubrimiento permitiría comprender al fin qué es exactamente, cuáles son sus propiedades y qué partículas la componen.
Nuevas partículas
Como ya ocurrió con el bosón de Higgs, las colisiones de partículas que se producen a toda velocidad en el interior del LHC invitan a pensar en el descubrimiento de partículas desconocidas, que en este caso irían más allá de la física estándar y permitiría profundizar en las bases de esta ciencia.
Uno de los objetivos del LHC es producir materia oscura artificialmente
Así se resolverían muchas dudas de la física actual, como por qué la masa de las partículas es la que es. El muón, por ejemplo, es una partícula elemental que pesa 200 veces más que el electrón. “Nadie sabe por qué, no hay ninguna razón lógica dentro del modelo estándar”, afirma Casas.
El descubrimiento de nuevas partículas sería una especie de combo. Un bonus que acumularía varios hallazgos en uno sólo. Los neutralinos son partículas supersimétricas cuyas propiedades encajan muy bien dentro de la materia oscura, tal y como asegura Casas. De encontrarse se habría confirmado la supersimetría a la vez que se encuentra materia oscura.
¿Y todo esto para qué sirve?
El objetivo que motiva la construcción de una tecnología como el LHC es, principalmente, comprender mejor la naturaleza. Pero esto no significa que no puedan salir aplicaciones interesantes del CERN porque, a fin de cuentas, el World Wide Web (WWW) nació allí.
“Es un experimento de ciencia en la frontera que exige ciencia en la frontera”, defiende Casas. No sólo obliga a los países involucrados a invertir en I+D, lo que repercute positivamente en su economía, sino que la ciencia aplicada no podría existir sin su parte básica previa. El investigador compara esta situación con la mecánica cuántica, que era la ciencia básica de hace 90 años y hoy resulta fundamental en computación. También con la electricidad, de la que, al principio, no se conocía aplicación alguna.
La primera temporada del Gran Colisionador de Hadrones terminó con un cliffhanger espectacular en forma de bosón de Higgs. La segunda parte ya se ha iniciado, y aunque todavía no se sabe con cuántos capítulos contará, es muy probable que se contesten preguntas que llevan intrigando a los físicos desde hace décadas. “Es muy emocionante ver si aparecen fenómenos, partículas y leyes físicas nuevas”, concluye Casas. Aunque habrá que esperar hasta 2016 para que se empiecen a dar los primeros resultados.
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