Una especie teórica de partículas podría responder a casi todas las preguntas sobre nuestro cosmos —si los científicos pueden encontrarlo.
Symmetry Magazine
Crédito de la imagen: ATLAS collaboration
Por Sarah Charley, para Symmetry Magazine Septiembre 9 de 2016
El universo está desequilibrado.
La gravedad es tremendamente débil. Pero la fuerza débil, que permite que las partículas interactúen y se transformen, es enormemente fuerte. La masa del bosón de Higgs es sospechosamente pequeña. Y el catálogo de la composición del cosmos? Noventa y seis por ciento incompleto.
Casi todas las observaciones del universo subatómico se pueden explicar mediante el Modelo estándar de la física de partículas — un marco teórico robusto lleno de predicciones verificables. Pero debido a estos acertijos sin resolver, las matemáticas son incómodas, incompletas y están llenas de restricciones.
Algunas partículas más resolverían casi todas estas frustraciones. La supersimetría (apodada SUSY para abreviar) es un modelo colosal que introduce nuevas partículas en las ecuaciones del Modelo estándar. Completa las matemáticas y ata los cabos sueltos. El único problema es que después de décadas de búsqueda, los físicos no han encontrado ninguno de estos nuevos amigos.
Pero tal vez la razón por la cual los físicos no han encontrado a SUSY (u otra física más allá del Modelo Estándar) es porque han estado mirando a través del lente equivocado.
"Hermosos conjuntos de modelos siguen siendo descartados", dice Jessie Shelton, una teórica de la Universidad de Illinois, "así que hemos tenido que dar un paso atrás y considerar una dimensión completamente nueva en nuestras búsquedas, que es la duración de estos. partículas ".
En el pasado, los físicos suponían que las nuevas partículas producidas en las colisiones de partículas se pudrirían inmediatamente, casi con precisión en sus puntos de origen. Los científicos pueden atrapar partículas que se comportan de esta manera — por ejemplo, bosones de Higgs — en detectores de partículas construidos alrededor de puntos de colisión de partículas. Pero, ¿y si las nuevas partículas tuvieran vidas largas y viajaran centímetros — incluso kilómetros — antes de transformarse en algo que los físicos pudieran detectar?
Esto no tiene precedentes. Los quarks inferiores, por ejemplo, pueden viajar unas pocas décimas de milímetro antes de descomponerse en partículas más estables. Y los muones pueden viajar varios kilómetros (con la ayuda de la relatividad especial) antes de transformarse en electrones y neutrinos. Muchos teóricos ahora predicen que puede haber especies clandestinas de partículas que se comporten de manera similar. La única pega es que estas partículas de larga vida rara vez interactúan con la materia ordinaria, lo que explica por qué han escapado a la detección durante tanto tiempo. Una posible explicación para este comportamiento distante es que las partículas vivas largas habitan en un sector oculto de la física.
"Las partículas del sector oculto están separadas de la materia ordinaria por una barrera cuántica de energía mecánica — como dos aldeas separadas por una cadena montañosa", dice Henry Lubatti de la Universidad de Washington. "Pueden estar uno al lado del otro, pero sin un gran impulso de energía para superar el pico, nunca podrán interactuar entre sí".
Las colisiones de alta energía generadas por el Gran Colisionador de Hadrones podrían desplazar estas partículas del sector oculto sobre esta barrera energética hacia nuestro propio régimen. Y si el LHC puede producirlos, los científicos deberían poder ver las huellas dactilares de las partículas de larga vida impresas en sus datos.
Las partículas de larga vida que el LHC sacudió a nuestro mundo probablemente volarían a velocidades cercanas a la de la luz entre unos pocos micrómetros y unos pocos cientos de miles de kilómetros antes de transformarse en materia ordinaria y mensurable. Este rango increíblemente generoso hace que sea difícil para los científicos determinar dónde y cómo buscarlos.
Pero la vida de una partícula subatómica es muy similar a la de cualquier criatura viviente. Cada tipo de partícula tiene una vida útil promedio, pero la vida útil exacta de una partícula individual varía. Si estas partículas de larga vida pueden viajar miles de kilómetros antes de descomponerse, los científicos esperan poder atrapar algunos de los primeros transformadores desafortunados antes de que abandonen el detector. Lubatti y sus colaboradores también han propuesto un nuevo detector de superficie LHC, que extendería su rango de búsqueda en muchos órdenes de magnitud.
Debido a que estas partículas de larga vida por sí mismas no interactúan con el detector, su señal se vería como una corriente de materia ordinaria que aparece espontáneamente de la nada.
"Por ejemplo, si una partícula de larga vida se descompusiera en quarks mientras estaba dentro del detector de muones, imitaría la apariencia de varios muones agrupados", dice Lubatti. "Estamos desencadenando eventos como este en el experimento ATLAS". Después de registrar los eventos, los científicos utilizan algoritmos personalizados para reconstruir los orígenes de estas partículas agrupadas para ver si podrían ser descendientes de un padre invisible de larga vida.
Si se descubre, esta nueva clase de materia podría ayudar a responder varias preguntas persistentes en física.
"Las partículas de vida larga no son una predicción de una nueva teoría, sino más bien un fenómeno que podría encajar en casi todos nuestros marcos para la física más allá del modelo estándar", dice Shelton.
Además de redondear las matemáticas del Modelo Estándar, las partículas inertes de larga vida podrían ser primos de la materia oscura — una forma invisible de materia que solo interactúa con el cosmos visible a través de la gravedad. También podrían ayudar a explicar el origen de la materia después del Big Bang.
"Muchos de nosotros hemos pasado toda la vida estudiando una fracción tan pequeña del universo", dice Lubatti. "Hemos entendido mucho, pero todavía hay muchas cosas que no entendemos — una cantidad enorme que no entendemos. Esto nos detiene a mí y a mis colegas ".
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Crédito de la imagen: ATLAS collaboration
Por Sarah Charley, para Symmetry Magazine Septiembre 9 de 2016
El universo está desequilibrado.
La gravedad es tremendamente débil. Pero la fuerza débil, que permite que las partículas interactúen y se transformen, es enormemente fuerte. La masa del bosón de Higgs es sospechosamente pequeña. Y el catálogo de la composición del cosmos? Noventa y seis por ciento incompleto.
Casi todas las observaciones del universo subatómico se pueden explicar mediante el Modelo estándar de la física de partículas — un marco teórico robusto lleno de predicciones verificables. Pero debido a estos acertijos sin resolver, las matemáticas son incómodas, incompletas y están llenas de restricciones.
Algunas partículas más resolverían casi todas estas frustraciones. La supersimetría (apodada SUSY para abreviar) es un modelo colosal que introduce nuevas partículas en las ecuaciones del Modelo estándar. Completa las matemáticas y ata los cabos sueltos. El único problema es que después de décadas de búsqueda, los físicos no han encontrado ninguno de estos nuevos amigos.
Pero tal vez la razón por la cual los físicos no han encontrado a SUSY (u otra física más allá del Modelo Estándar) es porque han estado mirando a través del lente equivocado.
"Hermosos conjuntos de modelos siguen siendo descartados", dice Jessie Shelton, una teórica de la Universidad de Illinois, "así que hemos tenido que dar un paso atrás y considerar una dimensión completamente nueva en nuestras búsquedas, que es la duración de estos. partículas ".
En el pasado, los físicos suponían que las nuevas partículas producidas en las colisiones de partículas se pudrirían inmediatamente, casi con precisión en sus puntos de origen. Los científicos pueden atrapar partículas que se comportan de esta manera — por ejemplo, bosones de Higgs — en detectores de partículas construidos alrededor de puntos de colisión de partículas. Pero, ¿y si las nuevas partículas tuvieran vidas largas y viajaran centímetros — incluso kilómetros — antes de transformarse en algo que los físicos pudieran detectar?
Esto no tiene precedentes. Los quarks inferiores, por ejemplo, pueden viajar unas pocas décimas de milímetro antes de descomponerse en partículas más estables. Y los muones pueden viajar varios kilómetros (con la ayuda de la relatividad especial) antes de transformarse en electrones y neutrinos. Muchos teóricos ahora predicen que puede haber especies clandestinas de partículas que se comporten de manera similar. La única pega es que estas partículas de larga vida rara vez interactúan con la materia ordinaria, lo que explica por qué han escapado a la detección durante tanto tiempo. Una posible explicación para este comportamiento distante es que las partículas vivas largas habitan en un sector oculto de la física.
"Las partículas del sector oculto están separadas de la materia ordinaria por una barrera cuántica de energía mecánica — como dos aldeas separadas por una cadena montañosa", dice Henry Lubatti de la Universidad de Washington. "Pueden estar uno al lado del otro, pero sin un gran impulso de energía para superar el pico, nunca podrán interactuar entre sí".
Las colisiones de alta energía generadas por el Gran Colisionador de Hadrones podrían desplazar estas partículas del sector oculto sobre esta barrera energética hacia nuestro propio régimen. Y si el LHC puede producirlos, los científicos deberían poder ver las huellas dactilares de las partículas de larga vida impresas en sus datos.
Las partículas de larga vida que el LHC sacudió a nuestro mundo probablemente volarían a velocidades cercanas a la de la luz entre unos pocos micrómetros y unos pocos cientos de miles de kilómetros antes de transformarse en materia ordinaria y mensurable. Este rango increíblemente generoso hace que sea difícil para los científicos determinar dónde y cómo buscarlos.
Pero la vida de una partícula subatómica es muy similar a la de cualquier criatura viviente. Cada tipo de partícula tiene una vida útil promedio, pero la vida útil exacta de una partícula individual varía. Si estas partículas de larga vida pueden viajar miles de kilómetros antes de descomponerse, los científicos esperan poder atrapar algunos de los primeros transformadores desafortunados antes de que abandonen el detector. Lubatti y sus colaboradores también han propuesto un nuevo detector de superficie LHC, que extendería su rango de búsqueda en muchos órdenes de magnitud.
Debido a que estas partículas de larga vida por sí mismas no interactúan con el detector, su señal se vería como una corriente de materia ordinaria que aparece espontáneamente de la nada.
"Por ejemplo, si una partícula de larga vida se descompusiera en quarks mientras estaba dentro del detector de muones, imitaría la apariencia de varios muones agrupados", dice Lubatti. "Estamos desencadenando eventos como este en el experimento ATLAS". Después de registrar los eventos, los científicos utilizan algoritmos personalizados para reconstruir los orígenes de estas partículas agrupadas para ver si podrían ser descendientes de un padre invisible de larga vida.
Si se descubre, esta nueva clase de materia podría ayudar a responder varias preguntas persistentes en física.
"Las partículas de vida larga no son una predicción de una nueva teoría, sino más bien un fenómeno que podría encajar en casi todos nuestros marcos para la física más allá del modelo estándar", dice Shelton.
Además de redondear las matemáticas del Modelo Estándar, las partículas inertes de larga vida podrían ser primos de la materia oscura — una forma invisible de materia que solo interactúa con el cosmos visible a través de la gravedad. También podrían ayudar a explicar el origen de la materia después del Big Bang.
"Muchos de nosotros hemos pasado toda la vida estudiando una fracción tan pequeña del universo", dice Lubatti. "Hemos entendido mucho, pero todavía hay muchas cosas que no entendemos — una cantidad enorme que no entendemos. Esto nos detiene a mí y a mis colegas ".
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