Para Estudiantes
Escrito por Daniel E. LOPEZ-Fogliani, en idioma Castellano
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* Poster presentación del "Astroparticle and Particle Physics Group"
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* Charla introductoria para no expertos "Partículas e interacciones fundamentales: ¿Por qué supersimetría?"
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Charla día del DF (DDF), Biblioteca Nacional, 5 de Agosto 2024: ver pdf
* Búsqueda de nueva física (nuestros temas de trabajo e invitación a sumarse al grupo)
* Ideas básicas: modelo estándar, supersimetría (más allá del modelo estándar)
* ¿Más allá de las partículas?
* Bibliografía (incluye comentarios)
* Seminario en Youtube y pdf
* Becas de doctorado y postdoctorado
Invito a los alumnos que estén buscando temas para sus tesis doctorales o tesinas de Licenciatura a consultarme vía e-mail (Daniel E. Lopez-Fogliani: daniel.lopez@df.uba.ar) sobre mis lineas de investigación, la disponibilidad de temas, y las colaboraciones establecidas a nivel internacional.
Invito especialmente a escribirme a los interesados en aplicar a becas postdoctorales CONICET.
La gravedad es la más débil de las interacciones fundamentales conocidas, siendo la energía la fuente de gravedad queda determinada la geometría del espacio-tiempo. La teoría cuántica de campos es capaz de describir en forma efectiva la gravedad hasta la experimentalmente inaccesible escala de Planck. Además de la interacción gravitatoria se conocen como fundamentales las interacciones electrodébil y fuerte, perfectamente descriptas por la teoría cuántica de campos. En este punto cabe mencionar que las partículas son excitaciones cuánticas de los campos.
El modelo estándar de las partículas elementales, SM, es el modelo mínimo aceptado por la comunidad científica como capaz de describir todas las partículas elementales detectadas incluyendo las interacciones electrodébil y fuerte. Sin embargo, el SM, posee el conocido como problema de las jerarquías, complicando la extensión del modelo en el contexto de una teoría efectiva cuántica de campos valida hasta la escala de Planck incorporando la gravedad. Además, el SM no incluye masa para los neutrinos y no posee candidato a materia oscura, siendo física más allá del modelo estándar un área muy activa en constante desarrollo. En particular, supersimetría (supergravedad, la versión local que incluye la gravedad en forma efectiva hasta la escala de Planck) es solución al problema de las jerarquías brindando una rica e interesante fenomenología experimentalmente accesible.
Búsqueda de nueva Física
Nos dedicamos a la investigación de la física de partículas y astropartículas, enfocados en el estudio teórico de nueva física de partículas e interacciones fundamentales. Nuestras lineas de investigación están centradas en la búsqueda teórica de señales de nueva física de partículas e interacciones fundamentales. Las predicciones teóricas son contrastadas con búsquedas realizables en experimentos contemporáneos o del futuro cercano; llevadas a cabo por colaboraciones experimentales en aceleradores (como el LHC), en experimentos de materia oscura (como Fermi-LAT), en experimentos de física de neutrinos, entre otros. Nos atañe también la interpretación teórica de señales de nueva física que puedan aparecer en experimentos contemporáneos.
Las extensiones supersimétricas del modelo estándar de las partículas elementales ofrecen un marco muy atractivo para trabajar, ya que permiten conciliar la física de las partículas elementales con la escala de Planck. Por lo tanto, pueden conciliar la cuántica con la gravedad hasta la escala de Planck. Escala posiblemente inaccesible experimentalmente, a la cuál son esperables profundos cambios en la propia noción de espacio-tiempo. En pocas palabras, la descripción de partículas en el contexto de supersimetría (supergravedad) puede potencialmente darnos una descripción completa de la fenomenología de las interacciones fundamentales de la naturaleza (incluida la gravedad).
Tal vez lo más importante, las extensiones supersimétricas más simples del modelo estándar de las partículas fundamentales, ofrecen la posibilidad de descubrir nueva física en experimentos que ya existen o pueden realizarse. Por lo tanto, pueden ser comprobadas o refutadas en un futuro cercano. Trabajamos con especial interés en el marco de las extensiones supersimétricas más simples y mejor motivadas del modelo estándar.
Disponibles temas para: trabajos finales de Licenciatura (tesinas de Lic.), tesis doctorales, becas postdoctorales, para los alumnos de la FCEyN y personas interesadas, siempre dentro de las posibilidades y limitaciones de tiempo.
Ideas básicas: modelo estándar, supersimetría (más allá del modelo estándar)
Las constantes fundamentales, velocidad de la luz (C), constante gravitatoria (G), y h barra (constante de Planck), introducen una escala a la cuál el propio espacio-tiempo se ve profundamente alterado: conocida como la escala de Planck. Esta escala nos proporciona una longitud, un tiempo, y una energía características. Es posible que el propio espacio tiempo surja en una teoría completa como un concepto aproximado con esta escala típica; teoría donde el espacio-tiempo sería un concepto emergente y no un concepto fundamental. Carecemos en estos momentos de dicha teoría, y estas ideas son inaccesibles experimentalmente (al menos por mucho pero mucho tiempo, tengamos en cuenta que la longitud de Planck es realmente pequeña: en unidades de cm es del orden de uno partido por 10 elevado a la 33).
Para darnos una idea recordemos que un atómo es del orden de 1 partido por 10 elevado a la diez metros. Quiere decir que la longitud de Planck es 25 ordenes de magnitud más pequeña; mas o menos la diferencia de tamaño entre un árbol y todo el universo visible.
Muchos son los investigadores que se dedican a cuestiones teóricas relacionadas con la formulación de la física más allá de la escala de Planck. Nosotros en nuestra investigación asumimos el espacio-tiempo como un objeto bien definido, y que poseemos una descripción valida hasta la escala de Planck. La presencia de esta escala se reflejará en la presencia en el Lagrangiano de términos de interacción que van con potencias de 1/E (donde E es la escala de energía de Planck).
Por otro lado el modelo estándar, SM, por sus siglas en Inglés, describe a la perfección la física de partículas fundamentales conocidas hasta el momento. Las partículas son descritas como excitaciones cuánticas de los campos. La escala de Planck no aparece explicitamente en el modelo, pero podemos interpretar que la complicación matemática conocida como renormalizar presente en el SM esta relacionada con el hecho de haber tirado a infinito la escala de energía de Planck (a cero la longitud de Planck).
Si bien la escala de Planck es la única escala que podemos justificar fácilmente en forma teórica, necesitamos otra escala: la escala de ruptura de la simetría electrodébil (digamos la masa de la partícula W). Esta escala en el SM se introduce mediante un parámetro de masa cuadrada negativa para el bosón de Higgs, el cuál adquiere un valor de expectación en el vacío. Es este valor de expectación el responsable de dar masa a todas las partículas conocidas hasta el momento, incluyendo al propio bosón de Higgs. En el SM todas las masas son proporcionales a este valor de expectación, por ejemplo la masa del W es proporcional a este valor y el acoplo gauge.
Sin embargo el modelo estándar parece no comportarse bien cuando se intenta interpretar que debe ser valido hasta la escala donde aparecen los efectos gravitatorios, la escala de Planck. El SM sufre el conocido como problema de las jerarquías: la masa del Higgs se comporta de tal forma que su valor natural estaría cercano al valor de la escala a la cuál el modelo deja de ser valido, pero por lo contrario debe ser fijado a un valor cercano a la escala electrodébil. Estamos frente a una de las motivaciones teóricas más fuertes de nueva física; física más allá del modelo estandar.
Con respecto a cuestiones fenomenológicas, debemos notar que en el SM en si mismo no existe candidato a materia oscura y los neutrinos poseen masa cero. La física de neutrinos se puede introducir en el SM modificándolo a una escala que puede ser muy elevada, y por lo tanto dejar el modelo prácticamente inalterado salvo por la inclusión de masas para los neutrinos.
Supersimetría es una simetría que relaciona Bosones y Fermiones, colocando ambos en un único ente matemático. Como consecuencia, todo fermión tendrá un compañero bosónico y viceversa. Esta simetría permite eludir muchos de los problemas de interpretación (como el problema de las jerarquías) que aparecen al intentar compatibilizar la física de partículas con la escala a la cuál tendrían lugar los efectos gravitatorios. Por lo tanto, es posible interpretar su validez hasta la escala de Planck, cerca de la cuál entraríamos en el territorio de la supergravedad.
Supergravedad es la versión supersimétrica que incluye la gravedad. La sabemos describir como teoría efectiva valida hasta la escala de Planck, pero no más allá, y dado lo inaccesible experimentalmente de dicha escala deberíamos ser capaces de describir toda la fenomenología con esta teoría efectiva. Por lo tanto, al tender la escala de energía de Planck a infinito debemos obtener un modelo supersimétrico que contiene al SM y que esta libre de los problemas de interpretación que posee este último. La supersimetría quedaría en forma efectiva rota a una cierta escala, en principio no muy alejada de la escala electrodébil (accecible en el LHC). Esta ruptura de supersimetría se ve parametrizada en el Lagrangiano por los conocidos como términos soft. Si bien estos términos rompen explícitamente la supersimetría, tendrían su origen en una ruptura espontánea dada en un sector oculto que es mediada al sector visible, mediante mecanismos bien conocidos. La forma funcional de estos términos soft también es bien conocida, y serán por ejemplo los responsables de inducir un valor de expectación en el vacio para el Higgs.
Entonces, el origen de las masas de las partículas conocidas estaría en la ruptura de supersimetría. Esta ruptura le daría masa mediante los términos soft a las partículas bosónicas compañeras de todos los Fermiones que conocemos, y a las compañeras fermiónicas de la partículas gauge del SM, y generaría también el valor de expectación del Higgs, que es el responsable de dar masa a todas las demás partículas.
La extensión supersimétrica mínima del SM es conocida como MSSM por sus siglas en Inglés. En este caso la física de neutrinos se puede introducir igual que en el SM. Esto es, modificándolo pero a una escala que puede ser muy elevada y por lo tanto dejar el modelo prácticamente inalterado salvo la inclusión de masas para los neutrinos. Una cualidad importante del MSSM es que posee una simetría conocida como R-parity, la cuál permite tener un candidato a materia oscura, sin necesidad en principio de extensiones del SM más allá de la inclusión de supersimetría. Sin embargo el MSSM no esta libre de problemas, por ejemplo es necesario un término con dimensiones de masa que respeta supersimetría que de no estar presente daría un modelo ya excluido, y cuya presencia necesita de justificación. Esta fue una muy breve y poco precisa descripción del conocido como problema-mu del MSSM.
El modelo conocido como mu-from-nu supersymmetric standard model, munuSSM, soluciona el problema-mu mediante la inclusión de física de neutrinos y de ahí su nombre en Inglés. Esta alternativa al MSSM introduce los muy bien motivados neutrinos dextrógiros (right-handed neutrinos) desde el inicio. Permitiendo no solo dar masa a los neutrinos sino también el poder tener los términos soft de ruptura de supersimetría como única escala de energía del modelo, solucionando de esta forma el conocido como problema-mu del MSSM. De esta forma no solo se reproduce la física de neutrinos con asombrosa facilidad, y se tienen a los términos soft como única escala, sino que además la presencia del compañero supersimétrico del right-handed neutrino (parte del sector del Higgs) permite obtener la masa correcta para el Higgs con mayor facilidad. Este modelo no posee a R-parity como simetría; esta simetría se encuentra rota y su ruptura íntimamente ligada con la física de neutrinos. Podemos mencionar que en este contexto los supercampos de Higgses del MSSM pueden interpretarse como una cuarta familia de leptones/neutrinos (vector-like), lo que nos lleva a la motivación en el contexto del munuSSM de la posible existencia de vector-like quarks de una cuarta familia. Con respecto al Higgs ya descubierto en el LHC, con esta interpretación su composición estaría dominada por un sneutrino right-handed de la cuarta familia.
En cuanto a materia oscura, no podemos olvidar que supersimetría es a fin de cuentas supergravedad, y por lo tanto poseemos como candidato a constituirla al compañero supersimétrico de la gravedad conocido como gravitino. Se puede demostrar que en el contexto del munuSSM el gravitino es un buen candidato a materia oscura, y que bajo ciertas condiciones es posible su detección en experimentos de detección indirecta como Fermi-LAT. La fenomenología del munuSSM y del MSSM es distinta; y son diferenciables en experimentos como el LHC.
Los próximos años pueden ser cruciales para el entendimiento de la física de partículas fundamentales, el LHC sigue comprobando que el SM funciona perfectamente, pero nueva física puede estar próxima a ser descubierta en el LHC o en otros experimentos contemporáneos.
Nota: Este texto pretende ser tan solo una pequeña introducción para los alumnos interesados en el tema. Quienes trabajamos en el modelo estándar supersimétrico esperamos encontrar señales de nueva física, física más allá del SM, muy pronto en experimentos como el LHC. Para los interesados en una descripción detallada de la supersimetría les cuento que poseo un curso ya preparado sobre el tema, el cuál he impartido en el IFT de Madrid como parte del programa de doctorado y que intentaré colgar en algún momento en esta página. Por el momento les dejo estas breves lineas, que espero les hayan sido útiles para tener una idea aproximada sobre el tema. En el menú inicial de esta página pueden encontrar un link a bibliografía útil, o pueden hallarla debajo.
Este texto fue escrito en el año 2017, ver novedades "News" para posibles avances en física más allá del modelo estándar.
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¿Más allá de las partículas?
Dedicaremos unas palabras a la física más allá de la aproximación donde podemos considerar una teoría de campos, donde las partículas son las excitaciones cuánticas de los campos (que interactúan en un punto), y la gravedad es tratada en forma efectiva. Como hemos dicho en la sección anterior, esta descripción puede ser valida hasta la escala de Planck, pero no más allá. A lo largo de la historia de la humanidad nos hemos encontrado con que nuestras descripciones físicas siempre llegan a un límite donde dejan de ser validas, por lo tanto esta es la situación usual a la cuál nos hemos enfrentado en el pasado. Si bien nuestro empecinamiento siempre nos ha hecho creer que teníamos la "teoría del todo", la naturaleza nos demostró una y otra vez que nuestras descripciones no eran validas más allá de una cierta escala.
La escala de energía de Planck es 15 ordenes de magnitud mayor a la alcanzable en el mejor colicionador de partículas del momento; el LHC. Lo que equivale a decir que estamos explorando longitudes 15 ordenes de magnitud mayores (más o menos la diferencia entre el sistema solar y una hormiga). Claramente, la dificultad de acceder experimentalmente a escalas para las cuales la descripción de partículas deja de ser valida, hace que podamos confiar en que tenemos una buena descripción de toda la fenomenología.
Una posibilidad de lo que podría suceder a la escala de Planck, es que nos encontremos con que existe una estructura para el objeto que hemos considerado puntual (más el tiempo). Lo más simple, en ese caso, es que ese objeto sea unidimensional (más el tiempo), esto significa que sea una cuerda.
La teoría de cuerdas asume un objeto unidimensional (más el tiempo). Como primera curiosidad podemos mencionar que por consistencia matemática las cuerdas necesitan supersimetría. Es de notar que esta extensión simple posee tres características que coinciden con lo esperado: i- Existen excitaciones sin masa y otras muy masivas (posiblemente estas últimas inaccesibles experimentalmente), ii- Los modos no masivos quedan descriptos por una teoría de supergravedad, iii- Existen más grados de libertad, que justamente permiten tener el sector oculto donde rompemos supersimetría, ruptura que trasmitimos al sector visible de partículas (posible origen de las masas asequibles experimentalmente). Esto refuerza los argumentos teóricos a favor de la supergravedad. Incluso en el caso que la noción de cuerda no sea la correcta para describir la naturaleza, sin dudas el hecho que esta descripción simple y casi naif nos lleve a supergravedad es un punto interesante.
Por otro lado, es posible que la descripción completa, más allá de la escala de Planck, exija abandonar la idea de espacio-tiempo como concepto fundamental, y este deba surgir como un concepto aproximado emergente de otros conceptos más básicos. Esta postura exige esfuerzos mucho mayores, y a día de hoy no existe una construcción formalmente bien definida en esta dirección.
Muy probablemente si alguna vez somos capaces de explorar estas escalas de energía, para ese entonces dispondremos de varias posibilidades matemáticamente consistentes para completar la descripción de partículas más allá de la escala donde estas describen la física (y no solo cuerdas como posibilidad), y serán los experimentos los que determinen cuál es la descripción correcta.
A modo meremente ilustrativo, pensemos en el mar donde podemos excitar olas. Pero no pueden ser estas olas tan chicas como queramos, porque nos encontraríamos con la estructura molecular y nuestra descripción de fluidos colapsaría. Las partículas son las excitaciones cuánticas de los campos, en particular la luz esta conformada por partículas llamadas fotones. Cuanto más energético el fotón más chica su longitud de onda, y son capaces de interactuar y ver objetos cada vez más pequeños. Pero si tuviesemos fotones con la longitud de onda de Planck serían capaces de interactuar y modificar al propio espacio-tiempo; estarían "viendo las tripas del propio espacio-tiempo". Como hemos ya señalado, una posibilidad es que a esas energías se exciten los modos masivos de las cuerdas (o en forma más general aparezca algún tipo de estructura), pero también es posible que nuestra descripción colapse porque la noción de espacio-tiempo solo tiene un sentido aproximado valido hasta la escala de Planck. En nuestro tiempo somos totalmente incapaces de explorar experimentalmente la escala a la cuál la descripción de partículas deja de ser valida.
Nosotros somos fenomenólogos; por lo tanto debemos contrastar nuestras predicciones con los experimentos, por lo que adoptamos la descripción de campos y partículas, dado que es esperable que su régimen de validez cubra lo experimentalmente asequible (podría ser valida hasta la escala de Planck). Mantenemos una postura escéptica sobre como debe ser extendida la descripción, pero sin perder de vista los avances teóricos que desarrollan amigos y colegas que se dedican a estudiar el regimen donde la cuantización de la gravedad no puede ser tratada en forma efectiva. En la práctica, dado lo inaccesible de la escala de Planck, es esperable que la cuantización de la gravedad si la podamos tratar en forma efectiva. Por lo tanto, como dijimos, utilizamos la descripción de partículas, capaz de describir la física hasta una escala que resulta experimentalmente inaccesible.
Si bien mantenemos una postura esceptica sobre la descripción más allá de las partículas, no nos parece adecuado asumir una postura escéptica sobre la física más allá del modelo estándar. El problema de las jerarquías, la física de neutrinos, la materia oscura, y la posibilidad de realizar experimentos a corto plazo nos guían en la construcción de la teoría (modelo) que puede describir toda la física de las interacciones fundamentales hasta, posiblemente, la escala de Planck.
Nota: Estas lineas escritas en el año 2017 pretenden ser tan solo una pequeña introducción para que los no expertos en el tema puedan darse una idea de la validez de la teoría de campos y partículas.
Bibliography
Introduction to group theory:
[0] ''An introduction to lie group and lie algebras, with applications'', J. G. Belinfante, B. Kolman, H. A. Smith; SIAM Review, Vol. 8, No. 1, 11-46, 1966.
Introduction to quantum field theory and the Standard Model of particle physics:
[1] ''Quantum field theory and the Standard Model'', Mathew D. Schwartz; Cambridge University Press, 2013.
[2] ''An introduction to quantum field theory'', Michael Peskin and daniel Schroeder; Perseus book, 1995.
[3] ''Quantum field theory'', Lewis H. Ryder; Cambridge University Press, 1996.
[4] ''An introductory course of particle physics'', Palash Pal; CRC press, 2015.
Introduction to quantum gravity as a effective field theory (valid until the Planck scale):
[5] ''The effective field theory treatment of quantum gravity'', Jhon F. Donoghue, AIP Conf. Proc. 1483 (2012) 73, arXiv:1209.3511 [gr-qc]; EPFL lectures, Donoghue et.al., arXiv:1702.00319[hep-th]. Ver también Donoghue gr-qc/9512024 y Burgess gr-qc/0311082.
Introduction to Supersymmetry (Supergravity):
(See the chapter on supersymmetry of [3] for a brief introduction).
[6] ''A supersymmetry premier'', Stephen P. Martin; hep-ph/9709356 v6.
[7] ''Weak Scale Supersymmetry'', Baer and Tata; Cambridge University Press, 2006.
[8] ''Introduction to supersymmetry'', Herald J. W. Muller-Kirsten, Armin Wiedemann; World Scientific Lecture Notes in Physics, 2 edition, 2010.
[9] ''Supersymmetry and supergravity'', Julius Wess and Jonathan Bagger; Princeton series in Physics, 2 edition, 1992.
Nota sobre la bibliografía para los estudiantes de la FCEyN:
Espero les sea útil esta bibliografía. La cuál he intentado ordenar dando una idea de continuidad en los temas.
Les recomiendo fuertemente [1] (pueden tomarse como bibliografía complementaria [0,2-4], el último puede ser especialmente útil para hacer cálculos) él cuál posee un enfoque actual sobre la teoría cuántica de campos. Este enfoque incluye el tratamiento de la gravedad como un teoría cuántica efectiva de campos, ver [5] para detalles. Donde la no renormalizabilidad de la teoría que incluye la gravedad se interpreta simplemente como debida a que la descripción de la teoría cuántica de campos deja de ser valida a la escala de Planck.
Sin embargo, para el modelo estándar de las partículas elementales tendremos de todas formas un problema de interpretación conocido como el problema de las jerarquías. Este problema no existe (o al menos esta fuertemente atenuado) en las extensiones supersimétricas del modelo estándar. Estos temas los pueden encontrar incluidos en [6,7], los cuáles poseen una muy buena introducción a los modelos supersimétricos y su fenomenología (la pequeña introducción dada en [3] puede ser de ayuda, sobre todo con respecto a algunos aspectos matemáticos). Para aquellos que les entusiasme la idea de una introducción más teórica a supersimetría les recomiendo fuertemente [8,9].
El enfoque de la bibliografía que les presenté arriba esta siempre pensado en la fenomenología y no en aspectos netamente teóricos. Es posible intentar encontrar teorías finitas o bien definidas a toda escala de energía, o intentar solucionar problemas netamente formales, por lo cuál aclaro que esta bibliografía no esta pensada en esa dirección. Tengamos presente que una cuestión son los observables como objetos matemáticos definidos en teorías cuánticas abstractas y generales, otra cuestión es que esos observables esten definidos en teorías (o modelos) que realmente describen la física de las interacciones fundamentales, y otra distinta es la posibilidad real de observar mediante experimentos las predicciones de dichos observables matemáticos.
Teniendo esto en cuenta, el tratamiento de la gravedad como una teoría cuántica de campos efectiva valida hasta la escala de Planck parece ser el adecuado cuando quiere describirse la fenomenología y por lo tanto me limito a esta descripción. Es recomendable tener también en cuenta que obtener resultados experimentales más allá del modelo estándar de la partículas elementales no es sencillo. Por ello las extensiones más simples y mejor motivadas desde el punto de vista teórico del modelo estándar juegan un papel realmente relevante. Entender su fenomenología es crucial para encontrar nueva física en un futuro cercano.
Seminario en Youtube y pdf
* Pdf basado en charlas introductorias a modelos supersimétricos, variantes y fenomenología, puede ser descargado aquí
* Poster con discusión sobre fenomenología puede ser descargado aquí
* Pdf basado en la charla dada para LAWphysics (Latin American Webinar on Physics): "Reinterpretation of the Higgs field, new quarks, and neutrino physics, in supersymmetry", puede ser encontrado aquí
La charla completa puede ser vista debajo o en el siguiente link de Youtube VIDEO!
Grupo de física de partículas elementales y astropartículas
Daniel E. LOPEZ-Fogliani es:
Investigador Independiente CONICET, IFIBA, DF, FCEyN, Universidad de Buenos Aires.
Profesor Asociado (también llamado profesor protitular o pro-catedrático), Cargo Regular, Pontificia Universidad Católica Argentina, UCA, Buenos Aires.