Supersimetría

En la física de partículas, la supersimetría es una simetría hipotética que podría relacionar las propiedades de los bosones y los fermiones. 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.

Índice [ocultar]

1 Introducción

2 Modelo de Wess-Zumino y MSSM

3 Supersimetría y LHC

4 Referencias

Introducción[editar]

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), el gravitino. 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 supersimétricas. 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.

Modelo de Wess-Zumino y MSSM[editar]

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.

Supersimetría y LHC[editar]

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.

¿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 angular intrínseco.

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.

Edición 23/07/2013

Aquí, uno de las videoconferencias que realizan expertos del CERN en Google sobre SUSY (All about SUSY), inglés:

Durante décadas, los físicos han explorado una bella teoría que prometía una comprensión más profunda del mundo cuántico. Ahora se encuentran en una encrucijada: si los primeros indicios empíricos no aparecen el año próximo, deberán afrontar un cambio de paradigma histórico.

Lykken, Joseph Spiropulu, Maria

Menear

inCompartir

CORTESÍA DEL CERN

En síntesis

La supersimetría postula que a cada clase de partícula conocida le corresponde una supercompañera hasta ahora no detectada. Su atractivo reside en que podría resolver de un plumazo varios problemas en física teórica.

Numerosos físicos confiaban en que las primeras señales empíricas de supersimetría aparecerían en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Si eso no sucede pronto, la teoría se verá en problemas.

El hecho de que las partículas supersimétricas continúen sin aparecer ha llevado a algunos investigadores a poner en cuestión ciertas hipótesis que venían asumiendo desde hacía décadas.

Este artículo forma parte de la serie de IyC «La física de partículas antes y después del bosón de Higgs».

Al amanecer de un día de verano de 2012, ya íbamos por la tercera ronda de café cuando iniciamos la conexión por vídeo entre nuestra oficina, en el Instituto de Tecnología de California, y el CERN, en Ginebra. En el monitor aparecieron nuestros compañeros del equipo Razor, uno de los múltiples grupos dedicados a analizar los datos del experimento CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Razor fue creado con el objetivo de buscar señales de supersimetría, una teoría propuesta hace 45 años para reemplazar los modelos convencionales de física de partículas, resolver algunos de sus profundos problemas conceptuales y explicar la naturaleza de la materia oscura. Tras largas décadas de búsqueda, sin embargo, los indicios experimentales de la supersimetría siguen sin aparecer.

Desde el CERN, el líder de Razor, Maurizio Pierini, proyectó un gráfico con los últimos datos. A nueve husos horarios de distancia, pudimos ver entrecejos fruncidos en toda la sala: había una anomalía. «Alguien debería echar un vistazo a este evento», sugirió Pierini. El «evento» era uno de los billones de choques entre protones producidos en el LHC. En pocos minutos, los autores de este artículo descargamos el registro completo de la colisión en un portátil.

La supersimetría constituye una bellísima solución a algunos de los grandes problemas que, desde hace más de cuatro décadas, hostigan a los físicos teóricos. Proporciona una serie de respuestas a importantes porqués: ¿por qué las partículas elementales tienen las masas que tienen?, ¿por qué las interacciones fundamentales presentan las intensidades que presentan? En suma, ¿por qué el universo es como es? La supersimetría predice, además, que el universo debería estar lleno de cierta clase de partículas hasta ahora no detectadas, «compañeras supersimétricas» de las partículas habituales, las cuales podrían resolver el misterio de la materia oscura. No resulta exagerado afirmar que la mayoría de los físicos de partículas cree que la supersimetría debe ser cierta: hasta tal punto resulta convincente. Por ello, muchos investigadores esperaban que el LHC proporcionase los primeros indicios experimentales de su validez.