En la Gran Teoría Unificada de la física de partículas (GUT), el desierto se refiere a una brecha teorizada en las escalas de energía, entre aproximadamente la escala de energía electrodébil, definida convencionalmente como aproximadamente el valor esperado de vacío o VeV del campo de Higgs (aproximadamente 246 GeV ). y la escala GUT , en la que no aparecen interacciones desconocidas.
También se puede describir como una brecha en las longitudes involucradas, sin nuevas físicas por debajo de 10 −18 m (la escala de longitud probada actualmente) y por encima de 10 −31 m (la escala de longitud GUT).
La idea del desierto fue motivada por la observación de aproximación, orden de magnitud, unificación de acoplamiento de calibre en la escala GUT. Cuando los valores de las constantes de acoplamiento de calibre de las fuerzas nuclear débil, nuclear fuerte y electromagnética se grafican en función de la energía, los 3 valores parecen converger casi a un valor único común a energías muy altas. Esta fue una de las motivaciones teóricas de las grandes teorías unificadas, y la adición de nuevas interacciones en cualquier escala de energía intermedia generalmente interrumpe esta unificación de acoplamiento de calibres. La disrupción surge de los nuevos campos cuánticos, las nuevas fuerzas y partículas, que introducen nuevas constantes de acoplamiento y nuevas interacciones que modifican las constantes de acoplamiento existentes del Modelo Estándar a energías más altas. Sin embargo, el hecho de que la convergencia en el Modelo Estándar sea en realidad inexacta es uno de los argumentos teóricos clave contra el Desierto, ya que hacer que la unificación sea exacta requiere una nueva física por debajo de la escala GUT .
Partículas de modelo estándar
Todas las partículas del Modelo Estándar se descubrieron muy por debajo de la escala de energía de aproximadamente 10 12 eV o 1 TeV. La partícula más pesada del Modelo Estándar es el quark top , con una masa de aproximadamente 173 GeV.
El desierto
Por encima de estas energías, la teoría del desierto predice que no se descubrirán partículas hasta alcanzar la escala de aproximadamente 10 25 eV [ ¿por qué? ] . Según la teoría, las mediciones de la física a escala TeV en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y el Colisionador Lineal Internacional (ILC) en un futuro cercano permitirán la extrapolación hasta la escala GUT.
La implicación negativa del desierto de partículas es que la física experimental simplemente no tendrá nada más fundamental que descubrir durante un período de tiempo muy largo. Dependiendo de la tasa de aumento de las energías experimentales , este período puede ser de cien años o más. Presumiblemente, incluso si la energía alcanzada en el LHC, ~ 10 13 eV, aumentara hasta en 12 órdenes de magnitud, esto solo resultaría en la producción de cantidades más copiosas de las partículas conocidas hoy en día, sin que se investigue ninguna estructura subyacente. El período de tiempo mencionado anteriormente podría acortarse observando la escala GUT a través de un desarrollo radical en la física de aceleradores , o mediante una tecnología de observación sin acelerador, como el examen de eventos de rayos cósmicos de energía tremendamente alta , u otra tecnología aún no desarrollada.
Las alternativas al desierto exhiben partículas e interacciones que se desarrollan con cada pocos órdenes de magnitud de aumento en la escala de energía.
Desierto MSSM
Con el Modelo Estándar Mínimo Supersimétrico , el ajuste de los parámetros puede hacer que esta unificación sea exacta [ se necesita más explicación ] . Esta unificación no es única.
Tal unificación de calibre exacta es una característica genérica de los modelos supersimétricos y sigue siendo una motivación teórica importante para desarrollarlos. Dichos modelos introducen automáticamente nuevas partículas (" supercompañeras ") a una nueva escala energética asociada con la ruptura de la nueva simetría, descartando el desierto energético convencional. Sin embargo, pueden contener un "desierto" análogo entre la nueva escala de energía y la escala GUT .
Desierto de materia espejo
Escenarios como el modelo de Katoptron también pueden conducir a una unificación exacta después de un desierto energético similar. Si las masas de neutrinos conocidas se deben a un mecanismo de vaivén , los nuevos estados de neutrinos pesados deben tener masas por debajo de la escala GUT para producir las masas O (1 meV) observadas, falseando así la hipótesis del desierto.
Evidencia
A partir de 2019, el LHC ha excluido la existencia de muchas partículas nuevas hasta masas de unos pocos TeV, o aproximadamente 10 veces la masa del quark top. Otra evidencia a favor de un gran desierto energético por encima de la escala electrodébil incluye:
- La ausencia de desintegraciones de protones observadas, lo que ya ha descartado cualquier nueva física que pueda producirlas hasta (y más allá) de la escala GUT . [ cita requerida ]
- Las mediciones de precisión de partículas y procesos conocidos, como las desintegraciones de partículas extremadamente raras, ya han probado indirectamente escalas de energía de hasta 1 PeV (10 6 GeV) sin encontrar desviaciones confirmadas del modelo estándar. Esto limita significativamente cualquier nueva física que pueda existir por debajo de esas energías.
- Los modos y tasas de desintegración del bosón de Higgs observados son hasta ahora consistentes con el Modelo Estándar.
Contra evidencia
Hasta ahora no hay evidencia directa de nuevas partículas fundamentales con masas entre la escala electrodébil y GUT, consistente con el desierto. Sin embargo, hay alguna evidencia indirecta de que existen tales partículas:
- Las principales explicaciones teóricas de las masas de neutrinos, los diversos modelos de balancín, requieren nuevos estados de neutrinos pesados por debajo de la escala GUT.
- Tanto las partículas masivas de interacción débil (WIMP) como los modelos de axiones para la materia oscura requieren que las nuevas partículas de larga duración tengan masas muy por debajo de la escala GUT.
- En el modelo estándar, no hay ninguna física que estabilice la masa del bosón de Higgs a su valor real observado. Dado que el valor real está muy por debajo de la escala GUT, cualquier nueva física que finalmente lo estabilice debe hacerse evidente también a energías más bajas.
- Las mediciones de precisión han producido varias discrepancias destacadas con el modelo estándar en los últimos años. Estos incluyen anomalías en ciertas desintegraciones del mesón B y una discrepancia en el valor medido del Muon g -2 ( momento magnético anómalo ). Dependiendo de los resultados de los experimentos actualmente en curso, estos efectos pueden indicar ya la existencia de nuevas partículas desconocidas por debajo de aproximadamente 100 TeV.
enlaces externos
- Wolchover, Natalie (9 de agosto de 2016). "Lo que no significa nuevas partículas para la física" . Revista Quanta . Fundación Simons . Consultado el 19 de diciembre de 2016 .
- Dimopoulos, Savas (1990). "LHC, SSC y el universo" . Physics Letters B . 246 (3–4): 347–352. Código Bibliográfico : 1990PhLB..246..347D . doi : 10.1016 / 0370-2693 (90) 90612-A .
- Kawamura, Yoshiharu; Kinami, Teppei; Miura, Takashi (2009). "Reglas de suma de superpartículas en presencia de dinámicas de sector ocultas" . Revista de Física de Altas Energías . 2009 (1): 064. arXiv : 0810.3965 . Código bibliográfico : 2009JHEP ... 01..064K . doi : 10.1088 / 1126-6708 / 2009/01/064 .