La física más allá del modelo estándar ( BSM ) se refiere a los desarrollos teóricos necesarios para explicar las deficiencias del modelo estándar , como la incapacidad para explicar los parámetros fundamentales del modelo estándar, el problema de CP fuerte , oscilaciones de neutrinos , asimetría materia-antimateria , y la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura . [1] Otro problema radica en el marco matemático del propio Modelo Estándar: el Modelo Estándar es inconsistente con el de la relatividad general , y una o ambas teorías fallan bajo ciertas condiciones, como singularidades del espacio-tiempo como el Big Bang y los horizontes de eventos de los agujeros negros .
Las teorías que se encuentran más allá del Modelo Estándar incluyen varias extensiones del modelo estándar a través de la supersimetría , como el Modelo Estándar Mínimo Supersimétrico (MSSM) y el Modelo Estándar Supersimétrico Próximo al Mínimo (NMSSM), y explicaciones completamente novedosas, como la teoría de cuerdas , Teoría M y dimensiones extra . Como estas teorías tienden a reproducir la totalidad de los fenómenos actuales, la cuestión de qué teoría es la correcta, o al menos el "mejor paso" hacia una Teoría del Todo , solo puede resolverse mediante experimentos, y es una de las más activas. áreas de investigación tanto en física teórica como experimental .
Problemas con el modelo estándar
A pesar de ser la teoría de la física de partículas más exitosa hasta la fecha, el Modelo Estándar no es perfecto. [2] Una gran parte de la producción publicada de físicos teóricos consiste en propuestas para diversas formas de nuevas propuestas de física "Más allá del modelo estándar" que modificarían el modelo estándar de formas lo suficientemente sutiles como para ser coherentes con los datos existentes, pero abordarían sus imperfecciones. materialmente suficiente para predecir los resultados del modelo no estándar de nuevos experimentos que se pueden proponer.
Fenómenos no explicados
El modelo estándar es inherentemente una teoría incompleta. Hay fenómenos físicos fundamentales en la naturaleza que el Modelo Estándar no explica adecuadamente:
- Gravedad . El modelo estándar no explica la gravedad. El enfoque de simplemente agregar un gravitón al modelo estándar no recrea lo que se observa experimentalmente sin otras modificaciones, aún no descubiertas, al modelo estándar. Además, se considera que el modelo estándar es incompatible con la teoría de la gravedad más exitosa hasta la fecha, la relatividad general . [3]
- Materia oscura . Las observaciones cosmológicas nos dicen que el modelo estándar explica aproximadamente el 5% de la energía presente en el universo. Aproximadamente el 26% debería ser materia oscura, [ cita requerida ] que se comportaría como cualquier otra materia, pero que solo interactúa débilmente (si es que lo hace) con los campos del Modelo Estándar. Sin embargo, el modelo estándar no proporciona partículas fundamentales que sean buenas candidatas a materia oscura.
- Energía oscura . El 69% restante de la energía del universo debería consistir en la llamada energía oscura, una densidad de energía constante para el vacío. Los intentos de explicar la energía oscura en términos de energía del vacío del modelo estándar conducen a un desajuste de 120 órdenes de magnitud. [4]
- Masas de neutrinos . Según el modelo estándar, los neutrinos son partículas sin masa. Sin embargo, losexperimentos de oscilación de neutrinos han demostrado que los neutrinos tienen masa. Los términos de masa para los neutrinos se pueden agregar al modelo estándar a mano, pero estos conducen a nuevos problemas teóricos. Por ejemplo, los términos de masa deben ser extraordinariamente pequeños y no está claro si las masas de neutrinos surgirían de la misma manera que las masas de otras partículas fundamentales en el modelo estándar.
- Asimetría materia-antimateria . El universo está hecho principalmente de materia. Sin embargo, el modelo estándar predice que la materia y la antimateria deberían haberse creado en cantidades (casi) iguales si las condiciones iniciales del universo no involucraran materia desproporcionada en relación con la antimateria. Sin embargo, no existe ningún mecanismo en el Modelo Estándar para explicar suficientemente esta asimetría. [ cita requerida ]
Resultados experimentales no explicados
No se acepta ningún resultado experimental que contradiga definitivamente el Modelo Estándar en el nivel de 5 σ , [ cita requerida ] ampliamente considerado como el umbral de un descubrimiento en física de partículas. Debido a que cada experimento contiene cierto grado de incertidumbre estadística y sistémica, y las predicciones teóricas en sí mismas casi nunca se calculan con exactitud y están sujetas a incertidumbres en las mediciones de las constantes fundamentales del Modelo Estándar (algunas de las cuales son pequeñas y otras sustanciales). ), es de esperar que algunos de los cientos de pruebas experimentales del Modelo Estándar se desvíen hasta cierto punto, incluso si no hubiera nueva física por descubrir.
En un momento dado, existen varios resultados experimentales que difieren significativamente de una predicción basada en el modelo estándar. En el pasado, se ha descubierto que muchas de estas discrepancias son casualidades estadísticas o errores experimentales que desaparecen a medida que se recopilan más datos o cuando los mismos experimentos se realizan con más cuidado. Por otro lado, cualquier física más allá del modelo estándar necesariamente aparecería primero en los experimentos como una diferencia estadísticamente significativa entre un experimento y la predicción teórica. La tarea es determinar cuál es el caso.
En cada caso, los físicos buscan determinar si un resultado es simplemente una casualidad estadística o un error experimental por un lado, o un signo de nueva física por el otro. Los resultados estadísticamente más significativos no pueden ser meras casualidades estadísticas, sino que pueden resultar de errores experimentales o estimaciones inexactas de la precisión experimental. Con frecuencia, los experimentos se diseñan para ser más sensibles a los resultados experimentales que distinguirían el modelo estándar de las alternativas teóricas.
Algunos de los ejemplos más notables incluyen los siguientes:
- Momento dipolar magnético anómalo del muón : el valor medido experimentalmente del momento dipolar magnético anómalo del muón (muón " g - 2" ) es significativamente diferente de la predicción del modelo estándar. [5] [6] Vale la pena señalar que los prometedores resultados iniciales delexperimento Muon g-2 de Fermilabcon una desviación estándar σ de 4,2 "refuerzan la evidencia de la nueva física". [7]
- Desintegración del mesón B, etc. - los resultados de un experimento de BaBar pueden sugerir un excedente sobre las predicciones del Modelo Estándar de un tipo de desintegración de partículas ( B → D (*) τ - ν τ ) . En esto, un electrón y un positrón chocan, dando como resultado un mesón B y un mesón de antimateria B , que luego se desintegra en un mesón D y un leptón tau , así como en un antineutrino tau . Si bien el nivel de certeza del exceso (3.4 σ en la jerga estadística) no es suficiente para declarar una ruptura con el Modelo Estándar, los resultados son una señal potencial de que algo anda mal y es probable que afecten las teorías existentes, incluidas las que intentan deducir el propiedades de los bosones de Higgs. [8] En 2015, LHCb informó haber observado un exceso de 2,1 σ en la misma proporción de fracciones ramificadas. [9] El experimento Belle también reportó un exceso. [10] En 2017, un metanálisis de todos los datos disponibles informó una desviación de 5 σ de SM. [11]
Predicciones teóricas no observadas
Se ha confirmado la observación en los colisionadores de partículas de todas las partículas fundamentales predichas por el modelo estándar. El bosón de Higgs es predicho por la explicación del modelo estándar del mecanismo de Higgs , que describe cómo se rompe la simetría de gauge débil SU (2) y cómo las partículas fundamentales obtienen masa; fue la última partícula predicha por el Modelo Estándar que se observará. El 4 de julio de 2012, los científicos del CERN que utilizaron el Gran Colisionador de Hadrones anunciaron el descubrimiento de una partícula consistente con el bosón de Higgs, con una masa de aproximadamente126 GeV / c 2 . Se confirmó la existencia de un bosón de Higgs el 14 de marzo de 2013, aunque se están realizando esfuerzos para confirmar que tiene todas las propiedades predichas por el Modelo Estándar. [12]
Algunos hadrones (es decir, partículas compuestas hechas de quarks ) cuya existencia está predicha por el modelo estándar, que pueden producirse solo a energías muy altas en frecuencias muy bajas, aún no se han observado definitivamente, y " bolas de pegamento " [13] (es decir, compuestos partículas hechas de gluones ) tampoco se han observado definitivamente todavía. Algunas desintegraciones de partículas de muy baja frecuencia predichas por el modelo estándar tampoco se han observado todavía definitivamente porque no hay datos suficientes disponibles para hacer una observación estadísticamente significativa.
Relaciones inexplicables
- Fórmula de Koide : una ecuación empírica inexplicable descubierta por Yoshio Koide en 1981. Relaciona las masas de los tres leptones cargados :. El modelo estándar no predice masas de leptones (son parámetros libres de la teoría). Sin embargo, el valor de la fórmula de Koide igual a 2/3 dentro de los errores experimentales de las masas leptónicas medidas sugiere la existencia de una teoría que puede predecir las masas leptónicas.
- La matriz CKM, si se interpreta como una matriz de rotación en un espacio vectorial tridimensional, "rota" el vector compuesto por raíces cuadradas de masas de quark de tipo descendente en vector de raíces cuadradas de masas de quarks de tipo up , hasta longitudes de vector. [14]
Problemas teóricos
Algunas características del modelo estándar se agregan de forma ad hoc . Estos no son problemas per se (es decir, la teoría funciona bien con estas características ad hoc), pero implican una falta de comprensión. [ cita requerida ] Estas características ad hoc han motivado a los teóricos a buscar teorías más fundamentales con menos parámetros. Algunas de las características ad hoc son:
- Problema de jerarquía : el modelo estándar introduce masas de partículas a través de un proceso conocido como ruptura de simetría espontánea causada por elcampo de Higgs . Dentro del modelo estándar, la masa del Higgs obtiene algunas correcciones cuánticas muy grandes debido a la presencia de partículas virtuales (en su mayoría quarks superiores virtuales). Estas correcciones son mucho mayores que la masa real del Higgs. Esto significa que elparámetro de masa desnuda del Higgs en el modelo estándar debe ajustarse de tal manera que cancele casi por completo las correcciones cuánticas. [15] Muchos teóricosconsideran antinatural este nivel de ajuste. [ quien? ]
- Número de parámetros : el modelo estándar depende de 19 parámetros numéricos. Sus valores se conocen a partir del experimento, pero se desconoce el origen de los valores. Algunos teóricos [ ¿quién? ] han tratado de encontrar relaciones entre diferentes parámetros, por ejemplo, entre las masas de partículas en diferentes generaciones o calculando masas de partículas, como en escenarios de seguridad asintóticos . [ cita requerida ]
- Trivialidad cuántica : sugiere que puede que no sea posible crear una teoría de campo cuántica consistente que involucre partículas de Higgs escalares elementales. A esto a veces se le llama elproblema del polo Landau . [dieciséis]
- Problema de PC fuerte : teóricamente se puede argumentar que el modelo estándar debería contener un término que rompa la simetría de PC, que relaciona la materia con la antimateria, en elsector de interacción fuerte . Sin embargo, experimentalmente no se ha encontrado tal violación, lo que implica que el coeficiente de este término es muy cercano a cero. [17] Este ajuste fino también se considera antinatural. [¿ por quién? ]
Grandes teorías unificadas
El modelo estándar tiene tres simetrías de calibre ; el color SU (3) , el isospín débil SU (2) y la simetría de hipercarga débil U (1) , correspondientes a las tres fuerzas fundamentales. Debido a la renormalización, las constantes de acoplamiento de cada una de estas simetrías varían con la energía a la que se miden. Alrededor10 16 GeV estos acoplamientos se vuelven aproximadamente iguales. Esto ha llevado a la especulación de que, por encima de esta energía, las tres simetrías de calibre del modelo estándar están unificadas en una simetría de calibre único con un grupo de calibre simple y solo una constante de acoplamiento. Por debajo de esta energía, la simetría se rompe espontáneamente a las simetrías del modelo estándar. [18] Las opciones populares para el grupo unificador son el grupo unitario especial en cinco dimensiones SU (5) y el grupo ortogonal especial en diez dimensiones SO (10) . [19]
Las teorías que unifican las simetrías del modelo estándar de esta manera se denominan Grandes Teorías Unificadas (o GUT), y la escala de energía en la que se rompe la simetría unificada se llama escala GUT. Genéricamente, las grandes teorías unificadas predicen la creación de monopolos magnéticos en el universo temprano, [20] y la inestabilidad del protón . [21] Ninguno de estos se ha observado, y esta ausencia de observación pone límites a las posibles GUT.
Supersimetría
La supersimetría amplía el modelo estándar al agregar otra clase de simetrías al lagrangiano . Estas simetrías intercambian partículas fermiónicas con bosónicas . Tal simetría predice la existencia de partículas supersimétricas , abreviadas como espartículas , que incluyen los sleptons , squarks , neutralinos y charginos . Cada partícula en el modelo estándar tendría una supercompañera cuyo giro difiera en 1/2 de la partícula ordinaria. Debido a la ruptura de la supersimetría , las espartículas son mucho más pesadas que sus contrapartes ordinarias; Son tan pesados que los colisionadores de partículas existentes pueden no ser lo suficientemente poderosos para producirlos.
Neutrinos
En el modelo estándar, los neutrinos tienen una masa exactamente cero. Esta es una consecuencia del modelo estándar que contiene solo neutrinos zurdos . Sin un compañero diestro adecuado, es imposible agregar un término de masa renormalizable al modelo estándar. [22] Sin embargo, las mediciones indicaron que los neutrinos cambian de sabor espontáneamente , lo que implica que los neutrinos tienen una masa. Estas medidas solo dan las diferencias de masa entre los diferentes sabores. La mejor restricción sobre la masa absoluta de los neutrinos proviene de las mediciones de precisión de la desintegración del tritio , proporcionando un límite superior de 2 eV, lo que los hace al menos cinco órdenes de magnitud más ligeros que las otras partículas en el modelo estándar. [23] Esto requiere una extensión del modelo estándar, que no solo necesita explicar cómo los neutrinos obtienen su masa, sino también por qué la masa es tan pequeña. [24]
Un enfoque para agregar masas a los neutrinos, el llamado mecanismo de balancín , es agregar neutrinos de la mano derecha y hacer que estos se acoplen a los neutrinos de la mano izquierda con un término de masa de Dirac . Los neutrinos de la mano derecha tienen que ser estériles , lo que significa que no participan en ninguna de las interacciones del modelo estándar. Debido a que no tienen cargas, los neutrinos de la mano derecha pueden actuar como sus propias anti-partículas y tienen un término de masa Majorana . Al igual que las otras masas de Dirac en el modelo estándar, se espera que la masa del neutrino Dirac se genere a través del mecanismo de Higgs y, por lo tanto, es impredecible. Las masas de fermiones del modelo estándar difieren en muchos órdenes de magnitud; la masa de neutrinos de Dirac tiene al menos la misma incertidumbre. Por otro lado, la masa de Majorana para los neutrinos diestros no surge del mecanismo de Higgs y, por lo tanto, se espera que esté vinculada a alguna escala de energía de la nueva física más allá del modelo estándar, por ejemplo, la escala de Planck. [25] Por lo tanto, cualquier proceso que involucre neutrinos diestros será suprimido a bajas energías. La corrección debida a estos procesos suprimidos da efectivamente a los neutrinos zurdos una masa que es inversamente proporcional a la masa de Majorana diestra, un mecanismo conocido como balancín. [26] La presencia de neutrinos diestros pesados explica tanto la pequeña masa de los neutrinos zurdos como la ausencia de neutrinos diestros en las observaciones. Sin embargo, debido a la incertidumbre en las masas de neutrinos de Dirac, las masas de neutrinos de la mano derecha pueden estar en cualquier lugar. Por ejemplo, podrían ser tan ligeros como keV y ser materia oscura , [27] pueden tener una masa en el rango de energía del LHC [28] [29] y provocar una violación observable del número de leptones , [30] o pueden estar cerca la escala GUT, que vincula a los neutrinos diestros con la posibilidad de una gran teoría unificada. [31] [32]
Los términos de masa mezclan neutrinos de diferentes generaciones. Esta mezcla está parametrizada por la matriz PMNS , que es el neutrino análogo de la matriz de mezcla de quarks CKM . A diferencia de la mezcla de quarks, que es casi mínima, la mezcla de neutrinos parece ser casi máxima. Esto ha llevado a varias especulaciones de simetrías entre las distintas generaciones que podrían explicar los patrones de mezcla. [33] La matriz de mezcla también podría contener varias fases complejas que rompen la invariancia CP, aunque no ha habido una prueba experimental de estas. Estas fases podrían potencialmente crear un excedente de leptones sobre anti-leptones en el universo temprano, un proceso conocido como leptogénesis . Esta asimetría podría convertirse en una etapa posterior en un exceso de bariones sobre anti-bariones, y explicar la asimetría materia-antimateria en el universo. [19]
Los neutrinos ligeros se desaconsejan como explicación para la observación de la materia oscura, debido a consideraciones de formación de estructuras a gran escala en el universo temprano. Las simulaciones de la formación de estructuras muestran que están demasiado calientes, es decir, su energía cinética es grande en comparación con su masa, mientras que la formación de estructuras similares a las galaxias de nuestro universo requiere materia oscura fría . Las simulaciones muestran que, en el mejor de los casos, los neutrinos pueden explicar un pequeño porcentaje de la materia oscura que falta. Sin embargo, los neutrinos diestros estériles pesados son un posible candidato para un WIMP de materia oscura . [34]
Modelos Preon
Se han propuesto varios modelos de preon para abordar el problema no resuelto del hecho de que hay tres generaciones de quarks y leptones. Los modelos Preon generalmente postulan algunas partículas nuevas adicionales que se postulan además para poder combinarse para formar los quarks y leptones del modelo estándar. Uno de los primeros modelos de preon fue el modelo de Rishon . [35] [36] [37]
Hasta la fecha, ningún modelo previo es ampliamente aceptado o completamente verificado.
Teorías de todo
La física teórica continúa esforzándose por lograr una teoría del todo, una teoría que explique y vincule completamente todos los fenómenos físicos conocidos y prediga el resultado de cualquier experimento que pueda llevarse a cabo en principio.
En términos prácticos, el objetivo inmediato a este respecto es desarrollar una teoría que unificaría el Modelo Estándar con la Relatividad General en una teoría de la gravedad cuántica . Se desearían características adicionales, como la superación de fallas conceptuales en la teoría o la predicción precisa de masas de partículas. Los desafíos para armar una teoría de este tipo no son solo conceptuales, sino que incluyen los aspectos experimentales de las energías muy altas necesarias para sondear reinos exóticos.
Varios intentos notables en esta dirección son la supersimetría , la gravedad cuántica de bucles y la teoría de cuerdas.
Supersimetría
Bucle de gravedad cuántica
Algunos piensan que las teorías de la gravedad cuántica como la gravedad cuántica de bucles y otras son candidatas prometedoras para la unificación matemática de la teoría cuántica de campos y la relatividad general, que requieren cambios menos drásticos en las teorías existentes. [38] Sin embargo, un trabajo reciente impone límites estrictos a los supuestos efectos de la gravedad cuántica sobre la velocidad de la luz y desaprueba algunos modelos actuales de gravedad cuántica. [39]
Teoria de las cuerdas
Existen extensiones, revisiones, reemplazos y reorganizaciones del Modelo Estándar para intentar corregir estos y otros problemas. La teoría de cuerdas es una de esas reinvenciones, y muchos físicos teóricos piensan que tales teorías son el siguiente paso teórico hacia una verdadera Teoría del Todo . [38]
Entre las numerosas variantes de la teoría de cuerdas, la teoría M , cuya existencia matemática fue propuesta por primera vez en una Conferencia de Cuerdas en 1995 por Edward Witten, es considerada por muchos como una candidata adecuada para "ToE" , sobre todo por los físicos Brian Greene y Stephen Hawking . Aunque aún no se conoce una descripción matemática completa, existen soluciones a la teoría para casos específicos. [40] Trabajos recientes también han propuesto modelos de cuerdas alternativos, algunos de los cuales carecen de las diversas características más difíciles de probar de la teoría M (por ejemplo, la existencia de variedades de Calabi-Yau , muchas dimensiones adicionales , etc.) físicos publicados como Lisa Randall . [41] [42]
Ver también
- Pruebas de antimateria de la violación de Lorentz
- Más allá de los agujeros negros
- Constantes físicas fundamentales en el modelo estándar
- Modelo sin Higgs
- Principio holográfico
- Pequeño Higgs
- Oscilaciones de neutrinos que violan Lorentz
- Modelo estándar mínimo supersimétrico
- Modelo estándar mínimo de Neutrino
- Teoría de Peccei-Quinn
- Preon
- Extensión de modelo estándar
- Supergravedad
- Mecanismo de balancín
- Supersimetría
- Teoría del vacío superfluido
- Teoria de las cuerdas
- Technicolor (física)
- Teoria de todo
- Problemas sin resolver en física
- Física de unpartículas
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Es notable que dos de los mayores éxitos de la física del siglo XX, la relatividad general y el modelo estándar, parecen ser fundamentalmente incompatibles.
Pero mira tambien Donoghue, John F. (2012). "El tratamiento efectivo de la teoría de campos de la gravedad cuántica". Actas de la conferencia AIP . 1473 (1): 73. arXiv : 1209.3511 . Código bibliográfico : 2012AIPC.1483 ... 73D . doi : 10.1063 / 1.4756964 . S2CID 119238707 .Se pueden encontrar miles de afirmaciones en la literatura en el sentido de que "la relatividad general y la mecánica cuántica son incompatibles". Estos están completamente desactualizados y ya no son relevantes. La teoría de campo efectiva muestra que la relatividad general y la mecánica cuántica funcionan juntas perfectamente normalmente en un rango de escalas y curvaturas, incluidas las relevantes para el mundo que vemos a nuestro alrededor. Sin embargo, las teorías de campo efectivas solo son válidas en un rango de escalas. La relatividad general ciertamente tiene problemas a escalas extremas. Hay problemas importantes que la teoría del campo efectivo no resuelve porque están más allá de su rango de validez. Sin embargo, esto significa que el problema de la gravedad cuántica no es lo que pensábamos. En lugar de una incompatibilidad fundamental de la mecánica cuántica y la gravedad, nos encontramos en la situación más familiar de necesitar una teoría más completa más allá del rango de su aplicabilidad combinada. El matrimonio habitual de la relatividad general y la mecánica cuántica está bien con energías ordinarias, pero ahora buscamos descubrir las modificaciones que deben estar presentes en condiciones más extremas. Esta es la visión moderna del problema de la gravedad cuántica y representa un progreso sobre la visión obsoleta del pasado ".
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Otras lecturas
- Lisa Randall (2005). Pasajes deformados: desentrañando los misterios de las dimensiones ocultas del universo . HarperCollins . ISBN 978-0-06-053108-9.
Recursos externos
- Teoría de modelos estándar @ SLAC
- Scientific American abril de 2006
- LHC. Naturaleza julio de 2007
- Conferencia de Les Houches, verano de 2005