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En busca de una teoría más fundamental que el ME

Karina Maldonado Portillo
13/mar/2013

Durante el seminario Manuel Sandoval Vallarta del 18 de enero del IFUNAM, Myriam Mondragón expuso su más reciente artículo científico titulado "Finite theories after the discovery of a Higgs-like boson at the LHC", publicado en la prestigiada revista Physics Letters B, el cual trata de las teorías de la supersimetría y el bosón de Higgs.

El Modelo Estándar (ME) ha explicado exitosamente las fuerzas fundamentales y sus interacciones de todo lo que conocemos, hasta ahora. De hecho, en julio pasado, con el descubrimiento de una partícula que cumple con las características del bosón de Higgs, se dio una de las pruebas más fehacientes de que el ME es una descripción correcta de las partículas elementales y sus interacciones.

Sin embargo, esta teoría es válida únicamente a los niveles de energía que manejan los laboratorios terrestres. ¿Qué pasaría a energías distintas, digamos, más altas? Eso es lo que se preguntaron Myriam Mondragón y sus colegas Sven Heinemeyer (del Instituto de Física de Cantabria, España) y George Zoupanos (de la Universidad Técnica de Atenas, el Instituto Max Planck y el CERN).

La cuestión de si existe alguna teoría más fundamental que el ME que funcione a energías más altas que éste y que explique la masa de algunas partículas como el bosón de Higgs, detectada en ~126 GeV tanto en ATLAS como en el experimento CMS, implica, por supuesto, una ardua tarea de investigación.

Los científicos tienen que analizar las relaciones entre los parámetros libres del ME, es decir, todos los datos del ME que deben medirse experimentalmente para saber su valor exacto, bajo una suposición de unificación y supersimetría.

Con ello, los autores pueden prever algunos detalles, en principio, que la teoría más fundamental de las partículas elementales se encontrará definida a la escala de Planck, que está 16 órdenes de magnitud por arriba de las escalas de energía de los laboratorios terrestres, donde es válido el ME. Aunque también se esperaría que entre la escala electrodébil y la de Planck "hubiera nueva física que nos guiara hacia la teoría más fundamental".

La escala de Planck es un sistema de unidades que se constituye por cinco constantes físicas: velocidad de luz en el vacío, constante de gravitación, constante reducida de Planck, constante de fuerza de Coulomb y la constante de Boltzmann. A través de estos valores se obtienen varias ventajas, entre ellas, la simplificación de la estructura de las ecuaciones y la posibilidad de comparar los valores de las variables entre sí.

Otro problema del ME a bajas energías es que aunque se esperaría que todas las masas de las partículas fueran del mismo orden de magnitud, en realidad existe una marcada diferencia entre ellas. Es el caso, por ejemplo, de la masa del quark up ~173 GeV, el más pesado, y la del quark up ~2.3 MeV. Son cinco órdenes de magnitud a pesar de que en todos los demás aspectos son iguales.

Ahí es donde se origina otra de las preguntas de Myriam Mondragón: ¿es posible que dos aspectos –en este caso, las masas de las partículas- que parecen distintos puedan tener un origen común? ¿Es posible que fenómenos y situaciones tan dispares formen parte de una teoría fundamental?

“Una manera muy exitosa de relacionar parámetros y que ha sido muy relevante desde Faraday, es la visión de simetrías o de unificación que establece que cosas que parecen diferentes en realidad son un mismo fenómeno visto de diferentes maneras”, explica la investigadora.

De esta manera, dice, se busca hacer encajar el ME en una teoría unificadora para explicar algunos de los fenómenos observados. Una de estas posibles teorías lleva el nombre de supersimetría (SUSY), y relaciona a los bosones y los fermiones. La idea “se originó de la posibilidad de que hubiera una relación entre las interacciones (bosones) y la materia (fermiones)”, explica Mondragón.

Por otro lado, existe la idea de que todas las interacciones fundamentales (sin considerar a la gravedad) son en realidad diferentes manifestaciones de una sola interacción, a esta teoría se le conoce como Teoría de Gran Unificación (GUT).

La combinación de supersimetría y Gran Unificación predice la unificación de constantes de interacción fuerte y electrodébil, unificación de quarks y leptones, cuantización de carga eléctrica y cocientes de masa correctos para algunas partículas. Todo ello da como resultado el Modelo Estándar Mínimo Supersimétrico Constreñido –también conocido como Extensión Constreñida Mínima del Modelo Estándar - una de las extensiones más estudiadas del ME.

Aunque Mondragón y sus colegas basan su propuesta en esta combinación de Gran Unificación y supersimetría, también advierten que la teoría más fundamental pudiera ser invariante de escala, es decir, finita, lo cual lleva a una reducción drástica de parámetros libres, y por lo tanto, a predicciones mucho más definidas.

Y por ahora, la experiencia les da la razón pues con su modelo los investigadores han podido predecir, por ejemplo, las masas de la tercera familia de quarks (top y bottom), así como la masa del bosón de Higgs y el espectro de masas supersimétrico, cuyos resultados coinciden, hasta ahora, con los datos experimentales más recientes.

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