Desierto (física de partículas)

En la Gran Teoría Unificada de la física de partículas (GUT), el desierto se refiere a una brecha teórica en las escalas de energía, entre aproximadamente la escala de energía electrodébil, definida convencionalmente como aproximadamente el valor esperado del vacío o VEV del campo de Higgs (alrededor de 246 GeV ), y la escala GUT , en la que no aparecen interacciones conocidas.

También puede describirse como una brecha en las longitudes involucradas, sin nueva física por debajo de 10 ⁻¹⁸  m (la escala de longitud actualmente investigada) y por encima de 10 ⁻³¹ m (la escala de longitud GUT).

La idea del desierto se inspiró en la observación de una unificación aproximada, del orden de magnitud, del acoplamiento de gauge en la escala de la Gran Teoría Unificada (GUT). Cuando se representan los valores de las constantes de acoplamiento de gauge de las fuerzas nuclear débil, nuclear fuerte y electromagnética en función de la energía, los tres valores parecen converger casi a un único valor común a energías muy altas. Esta fue una de las motivaciones teóricas de las propias Teorías de Gran Unificación, y la adición de nuevas interacciones en cualquier escala de energía intermedia generalmente altera esta unificación del acoplamiento de gauge. La alteración 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 en contra del desierto, ya que hacer que la unificación sea exacta requiere nueva física por debajo de la escala de la GUT .

Todas las partículas del Modelo Estándar fueron descubiertas muy por debajo de la escala de energía de aproximadamente ^10¹² eV o 1 TeV. La partícula más pesada del Modelo Estándar es el quark top , con una masa de aproximadamente 173 GeV.  

Por encima de estas energías, la teoría del desierto con la suposición de supersimetría predice que no se descubrirán partículas hasta alcanzar la escala de aproximadamente 10 ²⁵  eV. Según la teoría, las mediciones de física a escala de TeV en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y el hipotético futuro Colisionador Lineal Internacional (ILC) 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 del ritmo de aumento de las energías de los experimentos , este período podría ser de cien años o más. Presumiblemente, incluso si la energía alcanzada en el LHC, ~ 10¹³ ^eV , se incrementara hasta en 12 órdenes de magnitud, esto solo resultaría en la producción de cantidades más abundantes de las partículas conocidas hoy, sin que se investigara ninguna estructura subyacente. El lapso de tiempo mencionado podría acortarse observando la escala GUT mediante un desarrollo radical en la física de aceleradores , o mediante una tecnología de observación que no utilice aceleradores, como el examen de eventos de rayos cósmicos de energía tremendamente alta , u otra tecnología aún no desarrollada.

Las alternativas al desierto presentan partículas e interacciones que se desarrollan con cada aumento de unos pocos órdenes de magnitud en la escala de energía.

La "hipótesis del desierto" no postula ninguna física nueva entre la escala electrodébil/TeV y las escalas de gran unificación (GUT) o de Planck. Esta idea se originó a mediados de la década de 1970 con la GUT SU(5) de Georgi-Glashow : la evolución de los acoplamientos fuerte, débil y electromagnético (libertad asintótica) sugirió que podrían encontrarse a una energía muy alta (~10¹⁵–10¹⁶ GeV).Sorprendentemente, con solo el contenido de partículas del Modelo Estándar (sin supersimetría), los tres acoplamientos de gauge casi convergen en el rango de 10¹⁴–10¹⁶ GeV . Agregar campos nuevos mínimos (como en el MSSM) produce una unificación precisa en ~2×10¹⁶ GeV. Si ningún umbral intermedio perturba este funcionamiento, implica un "gran desierto" sin partículas nuevas hasta esa escala. Además, los datos de baja energía han sido consistentes durante mucho tiempo con este escenario: las masas de los neutrinos pueden surgir de un operador de dimensión 5 suprimido por una masa muy grande (el balancín).y la masa medida del bosón de Higgs (125 GeV) se encuentra en la estrecha "ventana de metaestabilidad" (110–190 GeV) que permite que el Modelo Estándar siga siendo perturbativo y (meta)estable hasta las escalas de la Gran Teoría Unificada (GUT)/Planck . Por lo tanto, las mediciones de precisión no han forzado la aparición de nueva física por debajo de la escala de la GUT; de hecho, un bosón de Higgs demasiado ligero (<110 GeV) o demasiado pesado (>190 GeV) habría desestabilizado el vacío o los acoplamientos.

Con el Modelo Estándar Supersimétrico Mínimo , el ajuste de parámetros puede hacer que la gran unificación sea exacta. Esta unificación no es única.

Esta unificación exacta de calibre es una característica genérica de los modelos supersimétricos y sigue siendo una importante motivación teórica para su desarrollo. Dichos modelos introducen automáticamente nuevas partículas (" supercompañeras ") en una nueva escala de energía asociada a 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.

Escenarios como el modelo Katoptron también pueden conducir a una unificación exacta tras un desierto energético similar. Si las masas de los neutrinos conocidas se deben a un mecanismo de balancín , los nuevos estados de neutrinos pesados ​​deben tener masas inferiores a la escala GUT para producir las masas observadas del orden de 1 meV. Se han calculado ejemplos indicativos del orden de magnitud de las masas correspondientes y los parámetros de mezcla de fermiones, de acuerdo con los datos experimentales, en el contexto de los katoptrones. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Hasta 2019, el LHC había descartado la existencia de muchas partículas nuevas con masas de hasta unos pocos TeV, o aproximadamente 10 veces la masa del quark top. Otras evidencias indirectas a favor de un gran desierto de energía para cierta distancia por encima de la escala electrodébil (o incluso la ausencia total de partículas más allá de esta escala) incluyen:

1. La ausencia de desintegraciones de protones observadas ya ha descartado muchos modelos de física nuevos que pueden producirlas hasta (e incluso más allá de) la escala GUT.
2. Las mediciones de precisión de partículas y procesos conocidos, como las desintegraciones de partículas extremadamente raras, ya han explorado indirectamente escalas de energía de hasta 1 PeV (10⁶ ^GeV ) sin encontrar desviaciones confirmadas del Modelo Estándar. Esto limita significativamente cualquier nueva física que pudiera existir por debajo de esas energías.
3. Las investigaciones basadas en datos experimentales sobre la constante cosmológica , el ruido de LIGO y la sincronización de púlsares sugieren que es muy improbable que existan nuevas partículas con masas mucho mayores que las que se pueden encontrar en el modelo estándar o en el Gran Colisionador de Hadrones . ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} Sin embargo, estas investigaciones también han indicado que la gravedad cuántica o la teoría cuántica de campos perturbativa se acoplarán fuertemente antes de 1 PeV, lo que dará lugar a otra nueva física en el rango de los TeV. ^{[ 3 ]}
4. Los modos y las tasas de desintegración del bosón de Higgs observados son, hasta el momento, consistentes con el Modelo Estándar.

Hasta el momento no hay evidencia directa de nuevas partículas fundamentales con masas entre la escala electrodébil y la escala GUT, consistentes con el desierto. Sin embargo, existen algunas teorías sobre por qué podrían existir tales partículas:

1. Las principales explicaciones teóricas de las masas de los neutrinos, los diversos modelos de seesaw, requieren nuevos estados de neutrinos pesados ​​por debajo de la escala GUT. (Sin embargo, es perfectamente coherente con el Modelo Estándar que las masas de los neutrinos provengan simplemente del bosón de Higgs, al igual que para los demás fermiones del Modelo Estándar, y actualmente no hay indicios de lo contrario).
2. Tanto los modelos de 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 inferiores a la escala GUT.
3. En el Modelo Estándar, no existe ninguna física que estabilice la masa del bosón de Higgs a su valor observado. Dado que este valor real está muy por debajo de la escala de la Gran Teoría Unificada (GUT, por sus siglas en inglés), cualquier nueva física que finalmente lo estabilice deberá manifestarse también a energías más bajas.
4. En los últimos años, las mediciones de precisión han revelado varias discrepancias notables con el Modelo Estándar. Entre ellas se incluyen anomalías en ciertas desintegraciones del mesón B y una discrepancia en el valor medido del momento magnético anómalo ( g⁻² ) del muón . Según los resultados de los experimentos en curso, estos efectos podrían indicar la existencia de nuevas partículas desconocidas por debajo de los 100 TeV.

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