En física de partículas y teoría de cuerdas ( teoría M ), el modelo ADD , también conocido como modelo con grandes dimensiones extra ( LED ), es un marco de modelo que intenta resolver el problema de jerarquía . ( ¿Por qué la fuerza de la gravedad es tan débil en comparación con la fuerza electromagnética y las otras fuerzas fundamentales ? ) El modelo intenta explicar este problema postulando que nuestro universo, con sus cuatro dimensiones (tres espaciales más el tiempo ), existe de una manera tan llamada membrana flotante en un espacio de 11 dimensiones. Luego se sugiere que el otrolas fuerzas de la naturaleza (la fuerza electromagnética , la interacción fuerte y la interacción débil ) operan dentro de esta membrana y sus cuatro dimensiones, mientras que la gravedad puede operar en las 11 dimensiones. Esto explicaría por qué la gravedad es muy débil en comparación con las otras fuerzas fundamentales. [1] Esta es una teoría radical dado que las otras 7 dimensiones, que no observamos, previamente se han asumido como muy pequeñas (aproximadamente una longitud de tabla ), mientras que esta teoría afirma que podrían ser muy grandes. [2]
El modelo fue propuesto por Nima Arkani-Hamed , Savas Dimopoulos y Gia Dvali en 1998. [3] [4]
Los intentos de probar la teoría se ejecutan aplastando dos protones en el Gran Colisionador de Hadrones para que se dispersen y liberen partículas elementales. Si un gravitón postulado apareciera después de una colisión, para que tal partícula desapareciera y se observara su desaparición, eso sugeriría que el gravitón se había escapado a otras dimensiones más allá de las cuatro observables de nuestro universo. Hasta ahora, ningún experimento del Gran Colisionador de Hadrones ha sido decisivo. [5] [6] [7] [8] [9] [10] Sin embargo, el rango de funcionamiento del LHC ( energía de colisión de 13 TeV ) cubre solo una pequeña parte del rango previsto en el que se registrarían las pruebas de LED ( algunos TeV a 10 16 TeV). [11] Esto sugiere que la teoría podría probarse más a fondo con tecnología avanzada.
Puntos de vista de los proponentes
Tradicionalmente, en física teórica, la escala de Planck es la escala de energía más alta y todos los parámetros dimensionales se miden en términos de la escala de Planck. Existe una gran jerarquía entre la escala débil y la escala de Planck y explica la relación entre la fuerza de la fuerza débil y la gravedad.es el foco de gran parte de la física más allá del modelo estándar. En modelos de grandes dimensiones extra, la escala fundamental es mucho más baja que la de Planck. Esto ocurre porque cambia la ley de potencia de la gravedad. Por ejemplo, cuando hay dos dimensiones adicionales de tamaño, la ley de potencia de la gravedad es para objetos con y para objetos con . Si queremos que la escala de Planck sea igual a la siguiente energía del acelerador (1 TeV ), debemos tomarser de aproximadamente 1 mm. Para un mayor número de dimensiones, fijando la escala de Planck en 1 TeV, el tamaño de las dimensiones adicionales se vuelve más pequeño y tan pequeño como 1 femtómetro para seis dimensiones adicionales.
Al reducir la escala fundamental a la escala débil, la teoría fundamental de la gravedad cuántica, como la teoría de cuerdas , podría ser accesible en colisionadores como el Tevatron o el LHC . [12] Ha habido [ ¿cuándo? ] avances en la generación de grandes volúmenes en el contexto de la teoría de cuerdas. [13] Tener la escala fundamental accesible permite la producción de agujeros negros en el LHC, [10] [14] [15] aunque existen limitaciones en la viabilidad de esta posibilidad en las energías en el LHC. [16] Hay otras firmas de grandes dimensiones adicionales en colisionadores de alta energía. [17] [18] [19] [20] [21]
Muchos de los mecanismos que se utilizaron para explicar los problemas en el Modelo Estándar utilizaron energías muy altas. En los años posteriores a la publicación de ADD, gran parte del trabajo de la comunidad de físicos más allá del modelo estándar se dedicó a explorar cómo estos problemas podrían resolverse con una escala baja de gravedad cuántica. Casi de inmediato hubo una explicación alternativa al mecanismo de balancín para la masa de neutrinos . [22] [23] El uso de dimensiones adicionales como una nueva fuente de números pequeños permitió nuevos mecanismos para comprender las masas y mezclas de los neutrinos. [24] [25]
Otro gran problema con tener una escala baja de gravedad cuántica fue la existencia de operadores de desintegración de protones , violación de sabor y violación de CP posiblemente suprimidos por TeV . Estos serían fenomenológicamente desastrosos. Rápidamente se advirtió que existían mecanismos novedosos para obtener pequeños números necesarios para explicar estos raros procesos. [26] [27] [28] [29] [30]
Puntos de vista de los oponentes
En la visión tradicional, la enorme brecha de energía entre las escalas de masa de las partículas ordinarias y la masa de Planck se refleja en el hecho de que los procesos virtuales que involucran agujeros negros o la gravedad están fuertemente suprimidos. La supresión de estos términos es el principio de renormalizabilidad: para ver una interacción a baja energía, debe tener la propiedad de que su acoplamiento solo cambia logarítmicamente en función de la escala de Planck. Las interacciones no renormalizables son débiles solo en la medida en que la escala de Planck es grande.
Los procesos gravitacionales virtuales no conservan nada excepto cargas de calibre, porque los agujeros negros se descomponen en cualquier cosa con la misma carga. Por tanto, es difícil suprimir interacciones a escala gravitacional. Una forma de hacerlo es postulando nuevas simetrías de calibre. Una forma diferente de suprimir estas interacciones en el contexto de los modelos extradimensionales es el "escenario del fermión dividido" propuesto por Arkani-Hamed y Schmaltz en su artículo "Jerarquías sin simetrías de dimensiones extra". [31] En este escenario, las funciones de onda de las partículas que están unidas a la brana tienen un ancho finito significativamente más pequeño que la dimensión extra, pero el centro (por ejemplo, de un paquete de ondas gaussianas) puede dislocarse a lo largo de la dirección de la dimensión extra. en lo que se conoce como "brana grasa". Al integrar las dimensiones adicionales para obtener el acoplamiento efectivo de operadores de dimensiones superiores en la brana, el resultado se suprime con el exponencial del cuadrado de la distancia entre los centros de las funciones de onda, un factor que genera una supresión. en muchos órdenes de magnitud ya por una dislocación de sólo unas pocas veces el ancho típico de la función de onda.
En electromagnetismo, el momento magnético del electrón se describe mediante procesos perturbativos derivados en el QED Lagrangiano:
que se calcula y mide en una parte en un billón. Pero también es posible incluir un término de Pauli en el lagrangiano:
y el momento magnético cambiaría en A. La razón por la que el momento magnético se calcula correctamente sin este término es porque el coeficiente A tiene la dimensión de masa inversa. La escala de masa es como máximo la masa de Planck. Por lo tanto, A solo se vería en el vigésimo decimal con la escala de Planck habitual.
Dado que el momento magnético del electrón se mide con tanta precisión, y dado que la escala en la que se mide está en la masa del electrón, un término de este tipo sería visible incluso si la escala de Planck tuviera solo 10 9 masas de electrones, que es1000 TeV . Esto es mucho más alto que la escala de Planck propuesta en el modelo ADD.
QED no es la teoría completa y el modelo estándar no tiene muchos términos de Pauli posibles. Una buena regla general es que un término de Pauli es como un término de masa: para generarlo, debe ingresar el Higgs. Pero en el modelo ADD, el valor esperado de vacío de Higgs es comparable a la escala de Planck, por lo que el campo de Higgs puede contribuir a cualquier potencia sin ninguna supresión. Un acoplamiento que genera un término de Pauli es el mismo que el término de masa de electrones, excepto con un extradonde Y es el campo de indicador U (1). Esta es la dimensión seis, y contiene una potencia del valor esperado de Higgs, y está suprimida por dos potencias de la masa de Planck. Esto debería comenzar a contribuir al momento magnético del electrón en el sexto lugar decimal. Un término similar debería contribuir al momento magnético del muón en el tercer o cuarto decimal.
Los neutrinos solo carecen de masa porque el operador de dimensión cinco no aparece. Pero los neutrinos tienen una escala de masa de aproximadamenteeV, que es 14 órdenes de magnitud menor que la escala del valor esperado de Higgs de 1 TeV. Esto significa que el término es suprimido por una masa M tal que
Sustituyendo TeV da eV GeV. Así que aquí es donde las masas de neutrinos sugieren una nueva física; cerca de la escala tradicional GUT, unos pocos órdenes de magnitud menos que la escala tradicional de Planck. El mismo término en un modelo de gran dimensión extra daría una masa al neutrino en el rango MeV-GeV, comparable a la masa de las otras partículas.
En este punto de vista, los modelos con grandes dimensiones extra calculan mal las masas de neutrinos asumiendo de manera inapropiada que la masa se debe a interacciones con un hipotético compañero diestro. La única razón para introducir un compañero diestro es producir masas de neutrinos en un GUT renormalizable . Si la escala de Planck es pequeña para que la renormalizabilidad ya no sea un problema, hay muchos términos de masa de neutrinos que no requieren partículas adicionales.
Por ejemplo, en la dimensión seis, hay un término libre de Higgs que acopla los dobletes de leptones a los dobletes de quark, , que es un acoplamiento al condensado de quarks de interacción fuerte. Incluso con una escala de piones de energía relativamente baja, este tipo de interacción podría posiblemente dar una masa al neutrino de tamaño, que es sólo un factor de 10 7 menos que el propio condensado de piones en200 MeV . Esto seria algo10 eV de masa, unas mil veces más grande de lo que se mide.
Este término también permite el número de leptones que viola las desintegraciones de piones y la desintegración de protones. De hecho, en todos los operadores con dimensión mayor que cuatro, hay violaciones de CP, bariones y números de leptones. La única forma de suprimirlos es tratar con ellos término por término, lo que nadie ha hecho. [ cita requerida ]
La popularidad, o al menos la prominencia, de estos modelos puede haber aumentado porque permiten la posibilidad de producción de agujeros negros en el LHC, lo que ha atraído una atención significativa .
Pruebas empíricas
Los análisis de los resultados del Gran Colisionador de Hadrones restringen severamente las teorías con grandes dimensiones adicionales. [5] [6] [7] [8] [9] [10]
La colaboración Fermi / LAT, en 2012, publicó límites en el modelo ADD de Large Extra Dimensions a partir de observaciones astrofísicas de estrellas de neutrones. Si la escala de unificación está en un TeV, entonces para n <4, los resultados presentados aquí implican que la topología de compactación es más complicada que un toro, es decir, todas las grandes dimensiones extra (LED) tienen el mismo tamaño. Para LED planos del mismo tamaño, los límites inferiores en los resultados de la escala de unificación son consistentes con n ≥ 4. [32] Los detalles del análisis son los siguientes: Una muestra de 6 fuentes NS débiles de rayos gamma no reportadas en la primera El catálogo de fuentes de rayos gamma de Fermi que son buenos candidatos se seleccionan para este análisis, en función de la edad, el campo magnético de la superficie, la distancia y la latitud galáctica. Sobre la base de 11 meses de datos de Fermi -LAT, se obtienen los límites superiores del 95% CL en el tamaño de las dimensiones adicionales R de cada fuente, así como los límites inferiores del 95% CL en la escala de Planck (n + 4) dimensional M_D. Además, los límites de todas las EN analizadas se han combinado estadísticamente utilizando dos métodos basados en la probabilidad. Los resultados indican límites más estrictos en los LED que los citados anteriormente de fuentes de estrellas de neutrones individuales en rayos gamma. Además, los resultados son más estrictos que los límites actuales del colisionador, del LHC, para n <4. Se pueden encontrar más detalles del análisis en. [33]
Ver también
- Dimensión extra universal
- Teoría de Kaluza-Klein
- Modelo de Randall-Sundrum
- Modelo DGP
Referencias
- ^ Para una introducción pedagógica, consulte Shifman, M. (2010). "Grandes dimensiones adicionales: familiarizarse con un paradigma alternativo". International Journal of Modern Physics A . 25 (2n03): 199–225. arXiv : 0907.3074 . Código bibliográfico : 2010IJMPA..25..199S . CiteSeerX 10.1.1.314.3579 . doi : 10.1142 / S0217751X10048548 . S2CID 15019013 .
- ^ Hossenfelder, Sabine (21 de diciembre de 2012). "Backreaction: grandes dimensiones adicionales - aún no muerto" . Reacción inversa . Consultado el 3 de abril de 2019 .
- ^ N. Arkani-Hamed; S. Dimopoulos; G. Dvali (1998). "El problema de la Jerarquía y las nuevas dimensiones al milímetro". Letras de física . B429 (3–4): 263–272. arXiv : hep-ph / 9803315 . Código Bibliográfico : 1998PhLB..429..263A . doi : 10.1016 / S0370-2693 (98) 00466-3 . S2CID 15903444 .
- ^ N. Arkani-Hamed; S. Dimopoulos; G. Dvali (1999). "Fenomenología, astrofísica y cosmología de teorías con dimensiones submilimétricas y gravedad cuántica a escala TeV". Revisión física . D59 (8): 086004. arXiv : hep-ph / 9807344 . Código Bibliográfico : 1999PhRvD..59h6004A . CiteSeerX 10.1.1.345.9889 . doi : 10.1103 / PhysRevD.59.086004 . S2CID 18385871 .
- ^ a b Colaboración CMS (2011). "Búsqueda de firmas microscópicas de agujeros negros en el gran colisionador de hadrones". Physics Letters B . 697 (5): 434–453. arXiv : 1012.3375 . Código bibliográfico : 2011PhLB..697..434C . doi : 10.1016 / j.physletb.2011.02.032 . S2CID 118488193 .
- ^ a b Colaboración CMS (2012). "Búsqueda de agujeros negros microscópicos en colisiones de pp a √ s = 7 TeV". Revista de Física de Altas Energías . 2012 (4): 61. arXiv : 1202.6396 . Código bibliográfico : 2012JHEP ... 04..061C . doi : 10.1007 / JHEP04 (2012) 061 . S2CID 119117436 .
- ^ a b Colaboración ATLAS (2013). "Búsqueda de agujeros negros microscópicos en un estado final de dimuon de signo similar utilizando multiplicidad de pistas grandes con el detector ATLAS". Physical Review D . 88 (7): 072001. arXiv : 1308.4075 . Código bibliográfico : 2013PhRvD..88g2001A . doi : 10.1103 / PhysRevD.88.072001 . S2CID 119088864 .
- ^ a b Colaboración ATLAS (2014). "Búsqueda de producción de agujero negro cuántico en estados finales de leptones + chorro de alta masa invariante utilizando colisiones protón-protón en √ s = 8 TeV y el detector ATLAS". Cartas de revisión física . 112 (9): 091804. arXiv : 1311.2006 . Código Bibliográfico : 2014PhRvL.112i1804A . doi : 10.1103 / PhysRevLett.112.091804 . PMID 24655244 .
- ^ a b Colaboración ATLAS (2014). "Busque agujeros negros microscópicos y bolas de hilo en estados finales con leptones y chorros con el detector ATLAS a √ s = 8 TeV". Revista de Física de Altas Energías . 2014 (8): 103. arXiv : 1405.4254 . Código bibliográfico : 2014JHEP ... 08..103A . doi : 10.1007 / JHEP08 (2014) 103 . S2CID 119279313 .
- ^ a b c Colaboración ATLAS (2016). "Búsqueda de gravedad fuerte en estados finales de chorros múltiples producidos en colisiones pp a √ s = 13 TeV utilizando el detector ATLAS en el LHC". Revista de Física de Altas Energías . 2016 (3): 26. arXiv : 1512.02586 . Código bibliográfico : 2016JHEP ... 03..026A . doi : 10.1007 / JHEP03 (2016) 026 . S2CID 119200293 .
- ^ "Verificación de la realidad en el LHC" . Mundo de la física . 18 de enero de 2011 . Consultado el 11 de mayo de 2016 .
- ^ I. Antoniadis; N. Arkani-Hamed; S. Dimopoulos; G. Dvali (1998). "Nuevas dimensiones en un milímetro a Fermi y supercuerdas en un TeV". Letras de física . B436 (3–4): 257–263. arXiv : hep-ph / 9804398 . Código Bibliográfico : 1998PhLB..436..257A . doi : 10.1016 / S0370-2693 (98) 00860-0 . S2CID 10847839 .
- ^ O. DeWolfe; A. Giryavets; S. Kachru; W. Taylor (2005). "Estabilización de módulos de tipo IIA". Revista de Física de Altas Energías . 0507 (7): 066. arXiv : hep-th / 0505160 . Código bibliográfico : 2005JHEP ... 07..066D . doi : 10.1088 / 1126-6708 / 2005/07/066 . S2CID 119518469 .
- ^ S. Dimopoulos; G. Landsberg (2001). "Agujeros negros en el LHC". Cartas de revisión física . 87 (16): 161602. arXiv : hep-ph / 0106295 . Código bibliográfico : 2001PhRvL..87p1602D . doi : 10.1103 / PhysRevLett.87.161602 . PMID 11690198 . S2CID 119375071 .
- ^ S. Giddings; S. Thomas (2002). "Colisionadores de alta energía como fábricas de agujeros negros: el fin de la física de corta distancia". Revisión física . D65 (5): 056010. arXiv : hep-ph / 0106219 . Código Bibliográfico : 2002PhRvD..65e6010G . doi : 10.1103 / PhysRevD.65.056010 . S2CID 1203487 .
- ^ G. Giudice; R. Rattazzi; J. Wells (2002). "Colisiones transplanckianas en el LHC y más allá". Física nuclear . B630 (1): 293–325. arXiv : hep-ph / 0112161 . Código Bibliográfico : 2002NuPhB.630..293G . doi : 10.1016 / S0550-3213 (02) 00142-6 . S2CID 14499279 .
- ^ D. Bourilkov (1999). "Análisis de la dispersión de Bhabha en LEP2 y límites en modelos de gravedad de baja escala". Revista de Física de Altas Energías . 9908 (8): 006. arXiv : hep-ph / 9907380 . Código bibliográfico : 1999JHEP ... 08..006B . doi : 10.1088 / 1126-6708 / 1999/08/006 . S2CID 7032004 .
- ^ K. Cheung; G. Landsberg (2000). "Drell-Yan y la producción de difotones en colisionadores de hadrones y modelos de gravedad de baja escala". Revisión física . D62 (7): 076003. arXiv : hep-ph / 9909218 . Código bibliográfico : 2000PhRvD..62g6003C . doi : 10.1103 / PhysRevD.62.076003 . S2CID 16891404 .
- ^ T. Rizzo (1999). "Uso de escalares para sondear teorías de gravedad cuántica de baja escala". Revisión física . D60 (7): 075001. arXiv : hep-ph / 9903475 . Código Bibliográfico : 1999PhRvD..60g5001R . CiteSeerX 10.1.1.389.2079 . doi : 10.1103 / PhysRevD.60.075001 . S2CID 8405902 .
- ^ G. Shiu; R. Shrock; S. Tye (1999). "Firmas de colisionadores del mundo brana". Letras de física . B458 (2–3): 274–282. arXiv : hep-ph / 9904262 . Código Bibliográfico : 1999PhLB..458..274S . CiteSeerX 10.1.1.344.7811 . doi : 10.1016 / S0370-2693 (99) 00609-7 . S2CID 1819932 .
- ^ C. Balazs; HJ. Él; W. Repko; C. Yaun; D. Dicus (1999). "Pruebas de colisionador de dimensiones espaciales compactas utilizando bosones de calibre débil". Cartas de revisión física . 83 (11): 2112–2115. arXiv : hep-ph / 9904220 . Código Bibliográfico : 1999PhRvL..83.2112B . doi : 10.1103 / PhysRevLett.83.2112 . S2CID 119095037 .
- ^ N. Arkani-Hamed; S. Dimopoulos; G. Dvali; J. March-Russell (2002). "Masas de neutrinos de grandes dimensiones extra" . Revisión física . D65 (2): 024032. arXiv : hep-ph / 9811448 . Código bibliográfico : 2002PhRvD..65b4032A . doi : 10.1103 / PhysRevD.65.024032 . S2CID 14524428 .
- ^ G. Dvali; A. Yu. Smirnov (1999). "Sondeo de grandes dimensiones extra con neutrinos". Física nuclear . B563 (1–2): 63–81. arXiv : hep-ph / 9904211 . Código Bibliográfico : 1999NuPhB.563 ... 63D . doi : 10.1016 / S0550-3213 (99) 00574-X . S2CID 7709470 .
- ^ Y. Grossman; M. Neubert (2000). "Masas y mezclas de neutrinos en geometría no factorizable". Letras de física . B474 (3–4): 361–371. arXiv : hep-ph / 9912408 . Código Bibliográfico : 2000PhLB..474..361G . doi : 10.1016 / S0370-2693 (00) 00054-X . S2CID 298185 .
- ^ N. Arkani-Hamed; L. Hall; H. Murayama; D. Smith; N. Weiner (2000). "Masas de neutrinos en v 3/2 ". arXiv : hep-ph / 0007001 .
- ^ N. Arkani-Hamed; M. Schmaltz (2000). "Jerarquías sin simetrías de dimensiones extra" . Revisión física (manuscrito enviado). D61 (3): 033005. arXiv : hep-ph / 9903417 . Código Bibliográfico : 2000PhRvD..61c3005A . doi : 10.1103 / PhysRevD.61.033005 . S2CID 18030407 .
- ^ N. Arkani-Hamed; Y. Grossman; M. Schmaltz (2000). "Divida fermiones en dimensiones extra y secciones transversales exponencialmente pequeñas en futuros colisionadores" . Revisión física (manuscrito enviado). D61 (11): 115004. arXiv : hep-ph / 9909411 . Código Bibliográfico : 2000PhRvD..61k5004A . doi : 10.1103 / PhysRevD.61.115004 . S2CID 18048661 .
- ^ DE Kaplan; T. Tait (2001). "Nuevas herramientas para masas de fermiones a partir de dimensiones extra". Revista de Física de Altas Energías . 0111 (11): 051. arXiv : hep-ph / 0110126 . Código Bibliográfico : 2001JHEP ... 11..051K . doi : 10.1088 / 1126-6708 / 2001/11/051 . S2CID 14050574 .
- ^ G. Branco; A. de Gouvea; M. Rebelo (2001). "Fermiones divididos en dimensiones extra y violación de CP". Letras de física . B506 (1–2): 115–122. arXiv : hep-ph / 0012289 . Código Bibliográfico : 2001PhLB..506..115B . doi : 10.1016 / S0370-2693 (01) 00389-6 . S2CID 16447036 .
- ^ N. Arkani-Hamed; L. Hall; DR Smith; N. Weiner (2000). "Sabor a la escala TeV con dimensiones extra". Physical Review D . 61 (11): 116003. arXiv : hep-ph / 9909326 . Código bibliográfico : 2000PhRvD..61k6003A . doi : 10.1103 / PhysRevD.61.116003 . S2CID 18171461 .
- ^ N. Arkani-Hamed; M. Schmaltz (2000). "Jerarquías sin simetrías de dimensiones extra" . Revisión física (manuscrito enviado). D61 (3): 033005. arXiv : hep-ph / 9903417 . Código Bibliográfico : 2000PhRvD..61c3005A . doi : 10.1103 / PhysRevD.61.033005 . S2CID 18030407 .
- ^ M. Ajello; et al. (2012). "Límites de grandes dimensiones adicionales basadas en observaciones de estrellas de neutrones con Fermi-LAT". Revista de cosmología y física de astropartículas . 2012 (2): 012. arXiv : 1201.2460 . Código bibliográfico : 2012JCAP ... 02..012F . doi : 10.1088 / 1475-7516 / 2012/02/012 . S2CID 27227775 .
- ^ Bijan Berenji (2012). "Búsqueda de grandes dimensiones adicionales basadas en observaciones de estrellas de neutrones con Fermi-LAT" .
Otras lecturas
- S. Hossenfelder, Dimensiones adicionales , (2006).
- Kaustubh Agashe y Alex Pomarol Agashe, Kaustubh; Pomarol, Alex (2010). "Centrarse en las dimensiones del espacio adicional" . Nueva Revista de Física . 12 (7): 075010. doi : 10.1088 / 1367-2630 / 12/7/075010 .