¿Y si el LHC no ve SUSY?

Question

Una pregunta en cuatro partes.

1. ¿Cuáles son los principales problemas que pretende resolver la supersimetría?

2. ¿Qué constituiría la falta de pruebas de SUSY en las escalas de energía propuestas por el LHC (por ejemplo, que no se observen de hecho ciertas superpartes predichas)?

3. ¿Existen enfoques teóricos alternativos que aborden el conjunto de problemas de SUSY y que sigan siendo creíbles en un escenario sin SUSY del LHC?

4. ¿En qué situación dejaría la teoría de las cuerdas la confirmación de SUSY por parte del LHC?

Me gustaría pensar que estos cuatro puntos podrían tomarse juntos como una sola pregunta.

Answer 1

En primer lugar, permítanme subrayar algo que está siendo cubierto por una gruesa capa de desinformación en los medios de comunicación estos días: es totalmente prematuro concluir si el LHC verá SUSY o no. Los principales detectores sólo han recogido 45/pb (y evaluado 35/pb) de los datos. La "barra pb" debería pronunciarse como "picobarras inversas".

El LHC está diseñado para recoger cientos o miles de veces más datos de los que ha registrado hasta ahora, y debería llegar a funcionar con el doble de energía (14 TeV de energía total en lugar de los 7 TeV actuales). Cada multiplicación de la luminosidad integrada (número de colisiones) por 10 corresponde al acceso de nuevas partículas cuyas masas son aproximadamente 2 veces mayores. Esto significa que el LHC podrá decidir sobre la existencia de nuevas partículas con masas 4-16 veces superiores a los límites inferiores actuales (16 incluye también la probable mejora de 2x 3,5 TeV a 7 TeV).

Hay al menos dos parámetros "mayormente independientes" con la dimensión de la masa en SUSY - me refiero a $m_0$ et $m_{1/2}$ . Así que el número de la frase anterior debería ser realmente elevado al cuadrado, y en algún conteo sensato y con una medida razonable, el LHC sólo ha sondeado alrededor de 1/16 - 1/256 del espacio de parámetros que es accesible al LHC durante su vida.

Así que lo único que podemos decir ahora es que SUSY no se descubrió en una fase muy temprana del experimento, algo que mucha gente esperaba, pero esta posibilidad nunca estuvo respaldada por nada más que un deseo. Que el LHC pueda ver SUSY puede seguir siendo una cuestión abierta durante varios años - a menos que el LHC lo vea mucho antes que eso. Es un experimento que puede continuar hasta 2020 y más allá.

No sabemos realmente dónde podrían estar las masas de los supercompañeros, pero es posible que se sitúen en unos pocos TeV y esto seguiría significando que son accesibles para el LHC.

Ahora, sus preguntas:

Lo que SUSY ayuda a resolver

En primer lugar, SUSY es una consecuencia natural -y sobre todo inevitable- de la teoría de cuerdas, la única teoría cuántica consistente que incluye la gravedad y las fuerzas de Yang-Mills desde 2011. Véase

http://motls.blogspot.com/2010/06/why-string-theory-implies-supersymmetry.html

En este contexto, la supersimetría es necesaria para la estabilidad del vacío y otras cosas, al menos a cierto nivel. Por otras razones, que se discutirán más adelante, es natural esperar que SUSY no se rompa hasta escalas de energía similares a las del LHC (es decir, que sea visible en el LHC) - pero no hay un argumento claro que pueda calcular la escala de superparte. Algunos teóricos de cuerdas incluso dicen que debería esperarse que la supersimetría se rompa a una escala muy alta (cerca de la escala GUT o de la escala de Planck) - porque este es un "comportamiento genérico" en el paisaje de las cuerdas (la "mayoría" de los mínimos tienen una ruptura de SUSY a alta escala que haría que SUSY no estuviera disponible para ningún experimento realizable) - así que estos defensores del razonamiento antrópico no esperan que SUSY se vea en el LHC. Sin embargo, consideraciones más fenomenológicas hacen más natural que SUSY sea accesible por el LHC.

¿Por qué? Hay varios argumentos principales: SUSY puede ofrecer una partícula de materia oscura candidata muy natural, a saber, la LSP (partícula supersimétrica más ligera), muy probablemente el neutralino (el supercompañero del fotón o del bosón Z o de los bosones de Higgs, o su mezcla), que parece tener la masa aproximada correcta, la fuerza de las interacciones y otras cosas para desempeñar el papel de la mayor parte de la materia oscura en el Universo (de modo que la teoría del Big Bang con esta partícula extra acaba con un Universo similar al nuestro después de 13.700 millones de años). Véase un artículo sobre SUSY y la materia oscura:

http://motls.blogspot.com/2010/07/susy-and-dark-matter.html

Además, SUSY con supercompañeros no muy lejos de la escala de energía del TeV o del LHC mejora la unificación de los acoplamientos gauge de forma que las fuerzas de los acoplamientos se unifican muy bien cerca de la escala GUT (y quizás se incorporen en un grupo único y simple a una escala de energía más alta no muy lejos de la escala de Planck), véase:

http://motls.blogspot.com/2010/06/susy-and-gauge-coupling-unification.html

La unificación en los modelos supersimétricos más sencillos sólo es buena si las superpartes no están muy lejos de la escala TeV - pero si están alrededor de 10 TeV, sigue siendo marginalmente buena. El mismo comentario con el mismo valor 10 TeV también es válido para el trabajo de la materia oscura de los neutralinos discutido anteriormente.

Por último, y lo más famoso, SUSY con masas de superpartículas no muy lejanas a la escala del TeV o del LHC estabiliza la masa de Higgs - explica por qué la masa de Higgs (y, en consecuencia, las masas de los bosones W y Z, entre otras partículas) no es impulsada hacia una escala de energía enorme como la escala de Planck por las correcciones cuánticas (con bucles de pares partícula-antipartícula en los diagramas de Feynman). Esas correcciones cuánticas, de otro modo esperadas, se cancelan en la precisión del TeV si las masas de las superpartículas están cerca del TeV - y la masa de Higgs resultante puede entonces estar naturalmente en la ventana esperada de 100 GeV - 200 GeV con una suerte extra de 10:1 (lo que no está mal).

Cuanto más ligeras sean las masas de los supercompañeros, más "naturalmente" SUSY explica que la masa de Higgs siga siendo ligera. Pero no hay ningún argumento estricto de que los supercompañeros tengan que ser más ligeros que 1 TeV o 10 TeV. Simplemente "suena extraño" si fueran mucho más altas que eso porque una parte no despreciable del problema de la jerarquía permanecería. Véase un texto sobre SUSY y el problema de la jerarquía:

http://motls.blogspot.com/2010/07/susy-and-hierarchy-problem.html

Se puede decir que los experimentos ya refutan el 99,999999999+ por ciento del intervalo natural a priori para una masa de Higgs concebible en el Modelo Estándar. SUSY cambia este recuento: la probabilidad de que la masa de Higgs acabe siendo aproximadamente tan baja como sugieren las observaciones electrodébiles se convierte en comparable al 100 por cien según una teoría SUSY. Para estar de acuerdo con otros experimentos disponibles, SUSY necesita ajustar algunos otros parámetros, pero en buenos puntos del espacio de parámetros, ninguno de los ajustes es tan extremo como el ajuste de la masa de Higgs en el Modelo Estándar no supersimétrico.

¿Podemos decidir si SUSY está ahí en el LHC?

SUSY puede ocultarse durante algún tiempo, pero el LHC simplemente está programado para realizar un cierto número de colisiones a una determinada energía, y esas colisiones pueden eventualmente ser estudiadas por los métodos más actualizados y la evidencia de SUSY estará allí en los datos o no. Algunos fenomenólogos a menudo quieren ser muy modestos y hablan de numerosas y complejas formas en las que SUSY puede seguir ocultándose, o seguir siendo de facto indistinguible de otros modelos. Sin embargo, a veces las mismas personas son capaces de hacer ingeniería inversa de un modelo construido al azar por el hombre (datos de colisión producidos ficticiamente) en un fin de semana: estos son los juegos que se juegan en las Olimpiadas del LHC. Así que no espero que se esconda demasiado. Con los datos, el destino de SUSY a escala del LHC se decidirá en última instancia.

Obviamente, si SUSY está ahí a la escala del LHC, el LHC acabará descubriendo fuegos artificiales de nuevos efectos (SUSY es también la posibilidad realista más atractiva para los experimentadores) - todas las superpartes de las partículas conocidas, entre otras cosas (como un sector de Higgs extendido relativamente al Modelo Estándar). Habrá que comprobar si sus espines y acoplamientos coinciden con los de las partículas conocidas, y así sucesivamente. Todas las masas pueden ser sorprendentes para nosotros - no conocemos realmente ninguna de ellas aunque tenemos varios modelos de ruptura de SUSY que predicen varios patrones.

Alternativas en caso de no observación de SUSY

La materia oscura puede estar compuesta por partículas ad hoc que no requieren ninguna gran estructura, pero tales alternativas no se justificarían más que por la simple y única función que deberían desempeñar. Por supuesto que hay muchas alternativas en la literatura, pero ninguna de ellas parece estar tan justificada por otras evidencias -es decir, no ad hoc- como SUSY. Creo que en el caso de que no haya SUSY en el LHC, el LHC permanecerá a cierta distancia de "refutar completamente" las partículas SUSY como la fuente de la materia oscura porque este papel puede funcionar hasta masas de 10 TeV o así, y gran parte de este intervalo permanecerá inaccesible para el LHC.

Así pues, el LHC es un gran artilugio más potente que el anterior, pero no se puede garantizar que tenga que dar respuestas definitivas sobre todas las preguntas que queremos que se respondan. Este hecho puede ser inconveniente (y a muchos profanos les encanta que les prometan que todas las preguntas serán inevitablemente respondidas por esos miles de millones de dólares - sea o no cierto) pero es simplemente un hecho que el LHC no es una máquina para ver todas las caras de Dios. Hay varias alternativas de cómo resolver el problema de la jerarquía - el modelo del pequeño Higgs, los modelos de Randall-Sundrum (que pueden ser refutados al final del LHC, también - se espera que el LHC decida sobre el destino de cada solución al problema de la jerarquía aunque siempre pueden permanecer algunas incertidumbres), etc. - pero estoy convencido de que incluso en el caso de que SUSY no se observe en el LHC, los supercompañeros con masas ligeramente superiores a las accesibles por el LHC seguirán siendo la solución más motivada de los problemas anteriores.

Por supuesto, si alguien encuentra algún modelo nuevo mejor, o alguna prueba experimental sorprendente del LHC (u otra) para algunos modelos existentes, la situación puede cambiar. Pero ahora mismo, aparte de SUSY, no hay realmente ninguna teoría alternativa que explique o resuelva de forma natural los tres problemas anteriores al mismo tiempo. Esta capacidad de SUSY para resolver muchas cosas simultáneamente no es, sin duda, una prueba de que tenga que ser la solución correcta de todas ellas, pero es un gran indicio. Es la razón por la que los físicos de partículas piensan que es la nueva física más probable en este momento - una conclusión que puede cambiar pero sólo si llegan nuevas pruebas (teóricas o experimentales).

Aunque está claro que la ausencia de SUSY en el LHC debilitaría los argumentos a favor de SUSY y todas las direcciones relacionadas, estoy convencido de que, a menos que se encuentren nuevas alternativas espectaculares o nuevas pruebas espectaculares de otras teorías en el futuro, SUSY seguirá siendo la dirección más seria en la fenomenología. En la teoría formal, está prácticamente garantizado que su papel clave seguirá siendo primordial, independientemente de los resultados del LHC o de cualquier experimento concebible. Cuantas más partes formales de la teoría de altas energías estudie un teórico, obviamente, menos dependiente será su trabajo de los resultados del LHC.

No hace falta que explique que la ausencia de SUSY en el LHC supondría una división más acusada de la comunidad de físicos de partículas.

Ausencia de SUSY y teoría de cuerdas

Evidentemente, si no se viera SUSY hasta 2012 o 2015 o 2020, los críticos de la teoría de cuerdas serían más ruidosos que nunca. Dentro de la teoría de cuerdas, se reforzarían las voces antrópicas y los intentos de encontrar un vacío sensato con la ruptura de SUSY a una escala de alta energía. Pero nada cambiaría realmente de forma cualitativa. El LHC es estupendo, pero sólo está desplazando la frontera energética del Tevatrón como mucho en 1-1,5 orden(es) de magnitud, más o menos.

Si se encuentra alguna nueva física no-SUSY en el LHC, la mayoría de los físicos de partículas estarán obviamente interesados en cualquier modelo que pueda ser relevante para las observaciones. Si el LHC no ve ninguna física nueva, por ejemplo, si sólo ve un único bosón de Higgs, y nunca aparece nada más, la situación actual continuará cualitativamente y las tensiones sólo se amplificarán. Los físicos serios tendrán que continuar con sus estudios predominantemente teóricos y cada vez más cuidadosos (basados en las observaciones que han sido incorporadas a las teorías hace décadas) sin ninguna orientación sobre la nueva física a partir de los nuevos experimentos disponibles (¡simplemente porque no habría ningún dato nuevo!) - mientras que los físicos no tan serios y la gente alrededor de la ciencia reforzarán sus afirmaciones hostiles y totalmente irracionales de que la física ya no es ciencia.

Desde el punto de vista sociológico, la situación se volvería seguramente desagradable para los buenos físicos y agradable para los críticos populistas e incultos de la ciencia que no están realmente interesados en la verdad sobre el mundo físico. Pero la Naturaleza funciona de cualquier manera. No está obligada a desvelar regularmente una parte de sus secretos.

Un documento con la misma pregunta en el título

Curiosamente, existe un preimpreso de hace 2 semanas de 8 autores:

http://arxiv.org/abs/arXiv:1102.4693
¿Qué pasa si el LHC no encuentra supersimetría en la carrera sqrt(s)=7 TeV?

Puedes ver que la pregunta en su título es casi idéntica a tu pregunta en Physics Stack Exchange. Su respuesta es muy parecida a la mía anterior: si el LHC no se encuentra durante la carrera de 7 TeV (que debería continuar hasta finales de 2012), SUSY seguiría siendo una solución aceptable para todos los problemas que he mencionado anteriormente; sólo nuestra idea sobre las masas de los supercompañeros que interactúan fuertemente (gluinos y squarks) tendría que elevarse por encima de 1 TeV o así. Es bastante natural que esos supercompañeros que interactúan fuertemente sean los más pesados entre los supercompañeros, lo que automáticamente hace que sean más difíciles de ver en los colisionadores de hadrones como el LHC.

Answer 2

El problema más importante que resuelve la supersimetría es el problema de jerarquía ¿por qué la escala débil, que determina la tasa de desintegración beta o las masas de los bosones W y Z, es mucho más pequeña que la escala de Planck, que está relacionada con la fuerza gravitatoria? En otras palabras, ¿por qué la fuerza débil es tan fuerte ¿en comparación con la gravedad? El verdadero problema aquí es que las correcciones mecánicas cuánticas tienden a elevar las escalas de energía cerca de la escala más grande en cualquier sistema dado, a menos que algún mecanismo las proteja. Así que, incluso si arreglas el Modelo Estándar para tener la escala débil en un valor particular, los efectos cuánticos quieren empujarla hacia arriba cerca de la escala de Planck. (La masa del bosón de Higgs es el parámetro específico que sufre este problema; todos los demás están protegidos por simetrías).

La supersimetría resuelve este problema de forma elegante: en el límite de la supersimetría exacta, cualquier corrección que empuje la escala de masa de Higgs hacia arriba se cancela con otra corrección de signo contrario. Si la supersimetría se rompe en torno a la escala débil, estas correcciones siguen siendo lo suficientemente exactas como para mantener la escala débil baja. Esencialmente sólo hay otras dos buenas ideas sobre cómo resolver el problema de la jerarquía: una es tecnicolor que dice que la escala surge igual que la escala QCD, porque una fuerza de interacción es muy débil a energías muy altas y se hace gradualmente más fuerte a energías más bajas, estallando precisamente en la escala débil; la otra es grandes dimensiones extra que en realidad no resuelve el problema, sino que lo traduce en un problema diferente, geométrico, de por qué ciertas dimensiones son tan grandes. (Estoy pasando por alto la mayoría de las otras ideas, como los modelos de Randall-Sundrum, del pequeño Higgs y del Higgs compuesto, que son todos, en cierto sentido, versiones particulares del tecnicolor que podrían tener características extra agradables).

La principal ventaja fenomenológica de la supersimetría sobre el tecnicolor y las grandes dimensiones adicionales es que se ajusta a todas nuestras observaciones de precisión. Incluso sin crear directamente nuevas partículas, cualquier teoría de la nueva física predice ciertos efectos que cambiarían ligeramente los valores y las relaciones entre las cantidades medidas con precisión. Hasta la fecha, ninguna de esas mediciones de precisión muestra de forma inequívoca evidencias de física más allá del Modelo Estándar. Esto significa que cualquier teoría nueva tiene que ser sintonizada de alguna manera, para cancelar todas estas posibles correcciones. Estas sintonías en algunas teorías deben hacerse con tanta precisión que tendemos a encontrarlas inverosímiles. En el caso de la supersimetría, se necesita relativamente poco ajuste para que la teoría sea coherente con lo que hemos medido hasta ahora.

También tiene la ventaja teórica de ser una idea más profunda, ciertamente que el tecnicolor (que sólo duplica la física que ya conocemos en la QCD) y posiblemente que las dimensiones extra.

La otra razón muy convincente para SUSY, más allá del problema de la jerarquía, es la unificación del acoplamiento gauge. Esto es realmente una empírico hecho. Los acoplamientos gauge medidos, si se llevan a energías altas, no se unifican en el Modelo Estándar. Sin embargo, sí se unifican, con bastante precisión, en la modificación supersimétrica del Modelo Estándar. Esto parece una pista que la naturaleza nos está dando sobre la física de muy alta energía, y la mayoría de nosotros pensamos que probablemente no es un accidente. Ahora bien, es posible hacer que la unificación del acoplamiento gauge funcione en otros escenarios más allá del Modelo Estándar (como algunas versiones del tecnicolor), pero no parece quiere para que ocurra; hace falta construir un modelo. En el Modelo Estándar supersimétrico, sale inmediatamente. Esto es bastante convincente, para la mayoría de nosotros.

La materia oscura es el tercer punto que se suele mencionar como razón para creer en SUSY, pero no me parece muy convincente. Es fácil construir modelos no SUSY con candidatos razonables a materia oscura, y modelos SUSY sin ellos, y es muy plausible que alguna otra partícula extremadamente bien motivada como un axión sea la materia oscura. Pero, la materia oscura podría resultar ser un supercompañero.

Si el LHC funciona de acuerdo con el plan y no encuentra evidencia de supercompañeros, creo que la mayoría de nosotros espera que aparezca evidencia de algún otro mecanismo para resolver el problema de la jerarquía, como el tecnicolor. (Hay muchas formas en las que SUSY podría aparecer, pero si los supercompañeros están ahí en la escala TeV, es difícil imaginar que puedan pasar desapercibidos por completo. Así que creo que el LHC realmente podría persuadirnos de que no están en la escala TeV). Si encuentra pruebas de no tal mecanismo (sólo un Higgs del Modelo Estándar y nada más), entonces nos quedaremos con un rompecabezas, y mucha gente argumentaría que los escenarios antrópicos son la única respuesta. Eso sería bastante insatisfactorio, pero no tiene sentido preocuparse mucho por ello a menos que ocurra.

Answer 3

Hay dos cosas que SUSY aporta a la física. La primera es que se trata de una laguna en el "teorema de no-go" de Coleman Mandula, que permite que las simetrías internas de las partículas funcionen con las simetrías externas del espaciotiempo. SUSY funciona transformando los campos bosónicos en fermiónicos y viceversa. Así, las partículas que conocemos tienen sus pares supersimétricos. Esto significa que el vacío tiene un número igual de partículas fermiónicas y bosónicas, donde la energía del punto cero de estos campos es negativa y positiva respectivamente. La supersimetría no rota define naturalmente un vacío de energía cero.

Si el LHC no encuentra SUSY, nos enfrentamos a algunos problemas. Hace décadas se pensaba que SUSY aparecería en el rango de los 100GeV, donde el problema de la jerarquía gauge con partículas SUSY ligeras es mucho más sencillo de trabajar. Si no encontramos SUSY, los problemas de unificación o de jerarquía gauge son más problemáticos, y es posible que la naturaleza simplemente no sea supersimétrica. Por varias razones, sospecho que si no obtenemos SUSY tampoco encontraremos el campo de Higgs, en cuyo caso una gran cantidad de literatura física se encuentra en terreno inestable. Jacque Distler ha dicho que no espera nada del LHC, que es el resultado más oscuro posible para todo.

No voy a entrar en discusiones sobre si la teoría de cuerdas es ciencia ante algo como este posible resultado. La discusión sería tonta e inútil. Sin embargo, un desarrollo teórico en la ciencia que constantemente no se pone en contacto con las observaciones experimentales está simplemente en problemas y eventualmente se marchitará. Esto es incluso si todo resulta que si los Estados Unidos hubieran hecho el supercolisionador habríamos encontrado el Higgs y SUSY y demás, pues el problema es que el dinero y la paciencia en estas cosas se van a agotar. Sobre todo en el caso de Estados Unidos, que es una civilización en claro declive, y Europa le sigue francamente. También hay que tener en cuenta que las poblaciones de todo el mundo, y en particular de Estados Unidos, se han vuelto muy religiosas, lo que es un mal presagio para el futuro científico, en particular para la gran ciencia. El mundo occidental, desde EE.UU. hasta Rusia, pasando por Europa, se está convirtiendo en un club de gigantes tambaleantes que van irremediablemente a la deriva y en declive.

También significa, desde una perspectiva personal, que si no se encuentra nada y se es lo suficientemente joven, "¡salga de aquí!". No tendrá mucho sentido intentar seguir el ritmo de un campo que en esas condiciones va a marchitarse. Cambiar a áreas de trabajo más nuevas, biofísica, bioinformática, nanotecnología y , lo que yo hice hace unos años, es muy aconsejable. La teoría de las cuerdas es un material realmente genial, pero existe la posibilidad de que todo el asunto implosione.

Answer 4

¿Y si el LHC no ve SUSY?

El hecho de que la Supersimetría (SUSY) no se haya detectado en el LHC ni siquiera funcionando a 13 TeV es una prueba que favorece a la Gravedad Cuántica de Bucles (LQG) y desfavorece a la Teoría de (Super)Cuerdas -SUSY es una solución inherentemente de baja energía para las formulaciones de Supercuerdas. Esto, unido a la incapacidad de la teoría de cuerdas para calcular una solución única de la variedad Calabi-Yau para el campo gravitatorio, ha llevado a un alejamiento de la teoría de cuerdas hacia la LQG en los últimos años. Los desarrollos recientes de las redes de espín SU(2) en LQG constituyen una solución independiente del fondo para la aparición del espacio-tiempo en el universo temprano (era de Planck); véase, por ejemplo, uno de mis artículos recientes arXiv:1811.02407 :physics.gen-ph o siga la reciente serie de seminarios de Carlo Rovelli en Youtube.