Físicos de Estados Unidos y Corea del Sur describieron un posible escenario para la evolución del Universo después del Big Bang, que difiere del generalmente aceptado por la ciencia. Según este escenario, ya no será posible detectar nuevas partículas elementales en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN. Además, un escenario alternativo le permite resolver el problema de la jerarquía de masas. Investigación publicada en arXiv.org
La teoría se llama Nnaturalidad. Se determina en la escala de energías del orden de la interacción electrodébil, después de la separación de las interacciones electromagnética y débil. Esto fue aproximadamente diez a menos treinta y dos - diez a menos doce segundos después del Big Bang. Luego, según los autores del nuevo concepto, existía una partícula elemental hipotética en el Universo: rechiton (o reheaton, del inglés reheaton), cuya desintegración condujo a la formación de la física observada hoy.
A medida que el Universo se enfrió (la temperatura de la materia y la radiación disminuyó) y se volvió plano (la geometría del espacio se acercó a Euclidiana), el Rechiton se desintegró en muchas otras partículas. Formaron grupos de partículas que casi no interactúan entre sí, casi idénticas en el conjunto de especies, pero que difieren en la masa del bosón de Higgs y, por lo tanto, en sus propias masas.
El número de estos grupos de partículas, que, según los científicos, existen en el universo moderno, alcanza varios miles de billones. La física descrita por el Modelo Estándar (SM) y las partículas e interacciones observadas en experimentos en el LHC pertenecen a una de estas familias. La nueva teoría permite abandonar la supersimetría, que todavía está intentando encontrar sin éxito, y resuelve el problema de la jerarquía de partículas.
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En particular, si la masa del bosón de Higgs formado como resultado de la desintegración del rechitón es pequeña, entonces la masa de las partículas restantes será grande y viceversa. Esto es lo que resuelve el problema de la jerarquía electrodébil asociada con la gran brecha entre las masas de partículas elementales observadas experimentalmente y las escalas de energía del Universo primitivo. Por ejemplo, la pregunta de por qué un electrón con una masa de 0.5 megaelectronvoltio es casi 200 veces más liviano que un muón con los mismos números cuánticos desaparece por sí mismo: en el Universo hay exactamente los mismos conjuntos de partículas donde esta diferencia no es tan fuerte.
Según la nueva teoría, el bosón de Higgs observado en experimentos en el LHC es la partícula más ligera de este tipo, formada como resultado de la desintegración de un rechitón. Los bosones más pesados están asociados con otros grupos de partículas aún no descubiertas: análogos de los leptones hoy descubiertos y bien estudiados (que no participan en la interacción fuerte) y hadrones (que participan en la interacción fuerte).
Nima Arkani-Hamed
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Foto: Departamento EP / CERN
La nueva teoría no anula, pero hace que no sea tan necesario introducir la supersimetría, lo que implica duplicar (al menos) el número de partículas elementales conocidas debido a la presencia de supercompañeros. Por ejemplo, para un fotón, un fotino, un quark, un squark, un Higgs, un Higgsino, etc. El giro de las supercompañeras debe diferir en medio entero del giro de la partícula original.
Matemáticamente, una partícula y una superpartícula se combinan en un sistema (supermultiplet); todos los parámetros cuánticos y masas de partículas y sus socios coinciden en supersimetría exacta. Se cree que la supersimetría está rota en la naturaleza y, por lo tanto, la masa de supercompañeras es mucho mayor que la masa de sus partículas. Para detectar partículas supersimétricas, se necesitaban aceleradores potentes como el LHC.
Si existen supersimetría o cualquier nueva partícula o interacción, entonces, según los autores del nuevo estudio, se pueden descubrir en una escala de diez teraelectronvoltios. Esto está casi en el límite de las capacidades del LHC, y si la teoría propuesta es correcta, el descubrimiento de nuevas partículas es extremadamente improbable.
Versiones CM
Imagen: arXiv.org
Una señal cercana a los 750 gigaelectronvoltios, que podría indicar la desintegración de una partícula pesada en dos fotones gamma, según informaron científicos de las colaboraciones CMS (Compact Muon Solenoid) y ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) que trabajaron en el LHC en diciembre de 2015 y marzo de 2016, reconocido como ruido estadístico. Después de 2012, cuando se supo sobre el descubrimiento del bosón de Higgs en el CERN, no se han revelado nuevas partículas fundamentales predichas por las extensiones SM.
Por tanto, se espera la aparición de teorías en las que desaparezca la necesidad de la supersimetría. "Hay muchos teóricos, incluido yo mismo, que creen que ahora es un momento completamente único en el que estamos resolviendo problemas importantes y sistémicos, y no con respecto a los detalles de ninguna próxima partícula elemental", dijo el autor principal del nuevo estudio, el físico Nima Arkani-Hamed. de la Universidad de Princeton (Estados Unidos).
Su optimismo no es compartido por todos. Por ejemplo, el físico Matt Strassler de la Universidad de Harvard cree que la justificación matemática de la nueva teoría es un invento. Mientras tanto, Paddy Fox, del Laboratorio Nacional Acelerador Enrico Fermi en Batavia (EE. UU.), Cree que la nueva teoría se puede probar en los próximos diez años. En su opinión, las partículas formadas en un grupo con cualquier bosón de Higgs pesado deberían dejar sus rastros en la radiación de la reliquia, la antigua radiación de microondas predicha por la teoría del Big Bang.
Andrey Borisov
