El Modelo Estándar de Física de Partículas puede estar roto

Lancaster, Reino Unido:

Como físico que trabaja en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, una de las preguntas más comunes que me hacen es «¿Cuándo vas a encontrar algo?». Resista la tentación de responder sarcásticamente «aparte del bosón de Higgs, el ganador del Premio Nobel y un montón de nuevas partículas compuestas». , me doy cuenta de que la razón por la que se hace la pregunta con tanta frecuencia se debe a cómo representamos los avances en la física de partículas para el resto del mundo.

A menudo hablamos de progreso en términos de descubrir nuevas partículas, y suele ser así. El estudio de una nueva partícula muy pesada nos ayuda a ver los procesos físicos básicos, a menudo sin molestos ruidos de fondo. Esto facilita la explicación del valor del descubrimiento al público ya los políticos.

Recientemente, sin embargo, una serie de mediciones precisas de partículas y procesos ya conocidos, y pantanos, ha amenazado con desestabilizar la física. Y con el LHC listo para funcionar Mayor energía y densidad. Como siempre, es hora de comenzar a discutir los efectos de manera más amplia.

De hecho, la física de partículas siempre ha ido en dos direcciones, una de las cuales son las nuevas partículas. La otra es hacer mediciones de alta precisión que prueben las predicciones de las teorías y busquen desviaciones de lo esperado.

Las primeras evidencias de la teoría general de la relatividad de Einstein, por ejemplo, provienen del descubrimiento de pequeñas desviaciones en las posiciones aparentes de las estrellas y del movimiento de Mercurio en su órbita.

Tres resultados principales

Las partículas siguen una teoría contraria a la intuición pero tremendamente exitosa llamada mecánica cuántica. Esta teoría muestra que las partículas demasiado masivas para ser creadas directamente en una colisión de laboratorio aún pueden influir en lo que hacen otras partículas (a través de las llamadas «fluctuaciones cuánticas»). Sin embargo, las mediciones de estos efectos son muy complejas y difíciles de explicar al público.

Pero los hallazgos recientes que insinúan una física nueva e inexplicable más allá del modelo estándar son del segundo tipo. Bisagra Estudios de la experiencia del LHCb. Encontró que la partícula conocida como el quark belleza (los quarks que forman los protones y neutrones en el núcleo de un átomo) «decae» (se desintegra) en un electrón con más frecuencia que en un muón, el hermano más pesado pero simétrico del electrón. Según el modelo estándar, esto no debería suceder, una señal de que nuevas partículas o incluso fuerzas de la naturaleza podrían influir en el proceso.

Curiosamente, sin embargo, las mediciones de procesos similares que involucran «quarks superiores» del experimento ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones muestran esta descomposición. Ocurre a tasas iguales para electrones y muones.

Mientras tanto, el experimento Muon g-2 se llevó a cabo recientemente en Fermilab en los Estados Unidos. Estudios muy precisos sobre cómo los muones «oscilan» debido a la interacción de su «espín» (una propiedad cuántica) con los campos magnéticos circundantes. Encontró una desviación pequeña pero significativa de algunas de las predicciones teóricas, lo que nuevamente sugiere que fuerzas o partículas desconocidas pueden estar trabajando.

Él Último resultado sorprendente Es una medida de la masa de una partícula fundamental llamada . bosón Wque llevan la fuerza nuclear débil que controla la desintegración radiactiva. Después de muchos años de tomar y analizar los datos, el experimento, también en Fermilab, sugiere que es mucho más pesado de lo que predice la teoría, una aberración de una cantidad que no ha ocurrido por casualidad en más de un millón de experimentos. Nuevamente, las partículas aún no descubiertas pueden estar aumentando su masa.

Curiosamente, sin embargo, esto también difiere con algunas mediciones de baja resolución del LHC (presentadas en este estudio Y Este).

juicio

Si bien no estamos del todo seguros de que estos efectos requieran una nueva explicación, parece estar aumentando la evidencia de que se necesita algo de física nueva.

Por supuesto, habrá casi tantos nuevos mecanismos propuestos para explicar estas observaciones como teóricos. Muchos esperarán con ansias diversas formas de «supersimetríaEsta es la idea de que hay el doble de partículas fundamentales en el modelo estándar de lo que pensábamos, y cada partícula tiene un «súper compañero».Estos podrían incluir bosones de Higgs adicionales (relacionados con el campo que da a las partículas fundamentales su masa).

Otros lo pasarán por alto, citando ideas menos de moda como «tecnicolor«, lo que significa que hay fuerzas adicionales de la naturaleza (además de la gravedad, el electromagnetismo, las fuerzas nucleares débil y fuerte), y podría significar que el bosón de Higgs es en realidad un objeto compuesto hecho de otras partículas. Solo los experimentos revelarán el la verdad de ello: buenas noticias para el experimento.

Los equipos experimentales detrás de los nuevos hallazgos son muy respetados y han estado resolviendo los problemas durante mucho tiempo. Sin embargo, no es una falta de respeto hacia ellos señalar que estas mediciones son muy difíciles. Además, las predicciones del modelo estándar generalmente requieren cálculos aproximados. Esto significa que diferentes teóricos pueden esperar masas y velocidades de disolución ligeramente diferentes según las suposiciones y el nivel de aproximación realizado. Entonces, tal vez cuando hagamos cálculos más precisos, algunos de los nuevos resultados encajarán en el modelo estándar.

De manera similar, los investigadores pueden estar usando sutilmente diferentes interpretaciones y, por lo tanto, encontrando resultados inconsistentes. La comparación de dos resultados experimentales requiere una verificación cuidadosa de que se utiliza el mismo nivel aproximado en ambos casos.

Estos son dos ejemplos de fuentes de ‘incertidumbre sistemática’ y, si bien todos los involucrados hacen todo lo posible por estimarla, puede haber complicaciones imprevistas que las subestimen o las sobreestimen.

Nada de esto hace que los hallazgos actuales sean menos interesantes o importantes. Lo que los hallazgos dejan en claro es que existen múltiples caminos hacia una comprensión más profunda de la nueva física, todos los cuales deben explorarse.

Con el reinicio del LHC, todavía hay posibilidades de que surjan nuevas partículas a través de procesos raros o se encuentren ocultas bajo fondos que aún tenemos que descubrir.

(autor: roger jonesCatedrático de Física, Jefe de Departamento Universidad de Lancaster)

Declaración de divulgación de informaciónRoger Jones recibe fondos de STFC. Soy miembro de la Colaboración ATLAS

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