NeoFronteras

Proponen ampliación del Modelo Estándar

Área: Física — Domingo, 26 de Febrero de 2017

El modelo SM*A*S*H añade un nuevo campo escalar, un axión, un quark vectorial y tres neutrinos al Modelo Estándar de partículas habitual.

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El Modelo Estándar de partículas es algo así como la tabla periódica. Las propiedades de las partículas que en él aparecen vienen de fuera a veces de los experimentos, no son predicciones del propio modelo.

Pero, al igual que los huecos en la tabla periódica predecían la existencia de ciertos elementos, las carencias del Modelo Estándar en el pasado permitieron predecir la existencia de partículas que aún no habían sido descubiertas. Simplemente, por simetría debían de estar ahí.

Según este modelo hay tres familias de partículas que componen la materia, que está hecha de quarks y leptones. Sólo la primera familia es estable y se compone del quark u del quark d, del electrón y del neutrino electrónico. Las demás siguen el mismo esquema de dos quarks y dos leptones. Todas estas partículas son fermiones, es decir partículas de spin semientero o partículas que responden la estadística de Fermi-Dirac.

Además, hay otras partículas que son las portadoras de las fuerzas de interacción: el fotón es la partícula que porta la fuerza electromagnética entre partículas eléctricamente cargadas, el gluón produce la fuerza fuerte entre quarks y, finalmente las partículas W y Z portan la fuerza débil que controla las desintegraciones.

Además, ahora se incorpora el bosón de Higgs, que es el responsable de la adquisición de masas de las partículas.

Todos estos bosones son partículas de spin entero. Es decir, partículas que responden la estadística de Bose-Einstein.

Obviamente, lo que sustenta este modelo son las teorías cuánticas de campos correspondientes, aunque cada una vaya por su lado.

Ahora un grupo de investigadores (en el que participa algún español) ha propuesto su ampliación con seis nuevas partículas hipotéticas que todavía no han sido descubiertas. Al nuevo modelo lo han llamado SM*A*S*H y ha tenido cierta repercusión porque su nombre se parece a una antigua serie de TV.

Al Modelo Estándar habitual se le añade un nuevo campo escalar, un axión, un quark vectorial y tres neutrinos. Pero la mayoría de las nuevas partículas tendrían una masa de unos mil millones de GeV, lo que estaría fuera del alcance de los colisionadores que construyamos este siglo y quizás venideros. El modelo, por tanto, no es falsable, por lo que no es científico.

El nuevo modelo resolvería principalmente cuatro problemas actuales de la Física: la inflación cósmica, la asimetría entre materia y antimateria, la materia oscura templada y la materia oscura fría y por qué la interacción fuerte no rompe la simetría CP.

La masa propuesta para el axión sería de unos 0,1 meV (entre 50 y 200 μeV), por lo que en este caso sí se podrían encontrar fácilmente, si es que existe. Aunque con una masa tan baja debían de haberse encontrado ya si se hubieran buscado en esa gama de energía. Se ha propuesto a los axiones como posibles constituyentes de la materia oscura fría y de que la interacción fuerte no rompa la simetría CP.

El axión adquirían su masa gracias a su interacción con el nuevo campo escalar. Recordemos que escalar significa que no es vectorial, es decir, que no tiene direccionalidad (también puede haber campos tensoriales con otras categorías de direccionalidad).

Lo malo es que la producción de los axiones se hace a costa de introducir una nueva pareja de quarks, sólo uno si este quark no interacciona de forma débil como el resto de los quarks, pero sí de forma fuerte. No habría sido observado debido a su gran masa. Esta se adquiriría debido a su interacción con el nuevo campo escalar.

Los nuevos neutrinos dextrógiros estériles explicarían la asimetría materia-antimateria vía un mecanismo de leptogénesis y la materia oscura templada. Sus masas también vendrían determinadas por su interacción con el nuevo campo escalar.

Estos neutrinos serían fermiones de Dirac o Majorana, con masa de Dirac gracias al Higgs y de Majorana gracias al nuevo campo escalar. O incluso con ambos mecanismos a la vez. En cada caso los neutrinos (y sus antipartículas) tendrían características distintas.

En este modelo se propone, además, que el bosón de Higgs junto al nuevo bosón escalar propuesto darían cuenta de la inflación cósmica. Sería una inflación con Higgs y escalar oculto.

Hasta ahora se proponía que la inflación (si es que realmente existió) se debería a un campo escalar aún sin descubrir mediado por un bosón escalar denominado inflatón y que no está relacionado con el Higgs.

La inflación resuelve los problemas de homogeneidad, isotropía y planitud del Universo, pero también otros. Durante esta inflación primordial cualquier volumen de universo multiplicó su tamaño en muchos órdenes de magnitud en una minúscula fracción de segundo. El vació del Modelo Estándar es inestable por culpa del Higgs, ya que su acoplamiento se vuelve negativo a energías inferiores a la de Planck. Algo que se puede solucionar con la inflación primordial.

Para ello hay que modificar el Higgs para que haga de inflatón, dejando al propio inflatón a un lado, que dejaría de existir. Pero, a nivel teórico, no se sabe muy bien cómo hacerlo sin que surjan problemas de consistencia.

En SM*A*S*H se mantiene al campo de Higgs tal cual sin modificar y se añade un nuevo campo escalar cargado que estaría acoplado al Higgs con un potencial. De este modo se logra estabilizar el vacío del modelo estándar.

Es este aspecto uno de los pocos que se podría contrastar con la realidad, pues las predicciones del modelo inflacionario propuesto en este modelo podrían ser falsadas en las próximas décadas en las observaciones del Fondo Cósmico de Microondas (FCM), aunque con muchas dificultades, pues dependen de parámetros que se pueden reajustar si las observaciones lo requieren.

SM*A*S*H es un modelo hecho a trozos a partir de propuestas, más o menos modificadas, que se han sugerido a lo largo de los últimos años. Metodología con la cual también se creó el Modelo Estándar, así que este aspecto no es especialmente negativo. Pero, a falta de su falsabilidad, sólo nos puede guiar la belleza de la simetría que contenga.

Todo parece encajar bien, salvo ese quark que es un subproducto o necesidad y que no parece cumplir ninguna función salvo la de ser generado por los mecanismos que se introducen.

El nuevo campo escalar es fundamental en este modelo y sin él todo el entramado se desmorona. De nuevo, su falsabilidad es, como mínimo, muy complicada.

Tampoco SM*A*S*H resuelve todos los problemas de la Física de partículas. Así, el problema de jerarquía y de la constante cosmológica (puede que fuente de la energía oscura) se dejan sin tratar.

Otro aspecto que nunca se considera en este terreno es el de la inflación, que puede que incluso no existiera. A un carpintero con un martillo todo se le figuran clavos y a un “particulista” todo se le figuran partículas. Quizás la inflación (si existió) fue causada por un campo completamente distinto o quizás fuera la consecuencia geométrica inevitable cuando nos vamos a la escala de Planck de los efectos cuánticos de una teoría cuántica de la gravedad de la cual carecemos.

En este aspecto y en el campo escalar nos pueden ayudar las nuevas generaciones de observatorios del Fondo Cósmico de Microondas. Cada modelo o teoría debe dejar sus huellas en el FCM.

Puede que el estudio de las ondas gravitacionales también nos ayude en este asunto, pero esto es ya pedir mucho.

Porque las partículas de materia oscura (sea fría o templada) siguen sin aparecer por ningún lado en los experimentos.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=5358

Fuentes y referencias:
Artículo original
Artículo en ArXiV I.
Artículo en ArXiV II.
Artículo en ArXiV III.
Nota en APS.
Ilustración: APS/Alan Stonebraker.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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10 Comentarios

  1. lluís:

    Me quedé un tanto sorprendido al leer este artículo,puesto que hace ya unos cuantos meses que lo había leído. Entonces miré las fechas de las fuentes, ArXiV, y comprobé que se había ya publicado en agosto de 2016. Pero parece ser que ahora, en febrero de este años lo han revisado. No recuerdo dónde lo leí,pero la verdad es que me quedé ojiplático por tanto derroche teórico. Si todo eso fuera cierto, matarían 4 o 5 pájaros (y de los gordos) de un sólo tiro.

    Si no se puede someter a experimentación, por muy bonito que sea el “SMASH”, quedará como un juguete teórico. Una lástima. En cuanto a la serie del mismo nombre, una pequeña joya.

  2. Tomás:

    Aunque mis conocimientos estén tan alejados del tema, creo que si algunos de sus supuestos se comprueban, van otorgando cierta posibilidad de credibilidad al resto, en espera de que sean o no confirmados. Aun así, el que se consiga la detección de alguna de las partículas propuestas, hará que sea revisable la anterior teoría.

  3. petrus:

    Si la cosa sigue así, ni imaginarme puedo el esfuerzo de mis biznietos a la hora de memorizar las tablas de elementos químicos y de partículas elementales vigentes en su época.
    Ya nos costaba bastante memorizar la única nuestra, la de Mendeleyev , nosotros usábamos apoyos mnemotécnicos como estas frases ( mías) : Hoy HE: LIbrado BErdadero Bárbaro Combate Nocturno Oh Feroz NEcrópolis;
    NAda MaGico ALegra SIno Pasear Sin CLarear el Alba… y así hasta el final de la tabla que, por cierto, ha visto crecer sus elementos desde que la estudié. Y partículas , había, milagrosamente, cuatro o cinco, protón, neutrón ,electrón,fotón y se hablaba del neutrino que nadie había visto… Pero a este paso, va a haber más partículas que compuestos, lo que dice poco a favor de semejante dispendio.
    Es probable que necesitemos un nuevo Einstein clarificador y unificador del siglo XXI o moriremos aplastados por el peso de los catálogos de partículas y sus propiedades “ad libitum” ( interprete a su gusto) .

  4. lluís:

    Releyendo esto me pregunto por qué con lo fácil que sería encontrar el axión en esa baja escala de energía no se ha buscado, si ese axión teorizado por Wilczek, ha dado tanto que hablar precisamente por ser un candidato a materia oscura y poder además resolver la cuestión de la simetría CP.

    Otro asunto, ¿no puede adquirir su masa el axión por medio del mecanismo de Higgs?

  5. Dr. Thriller:

    Tengo que destacar el Verilio de Petrus xD

    Saberse la tabla de memoria no es nada del otro viernes, si la estás usando varias veces al día es sólo cuestión de tiempo que se te imprima en el cerebro. A los del modelo estándar les tiene que pasar lo mismo. La cabeza se te amuebla por completo, pasa a ser algo tan natural con sus partes inconscientes y automáticas como encender la luz o tocar un instrumento. Y me temo que lo de poner nombres para competir en el mercado de llamar la atención se ha vuelto un fenómeno en sí mismo, porque Smash aparte del M*A*S*H es “machacar, destrozar” con estrépito incluido y, como salto semántico, éxito rotundo.

    Si tuvieran un B*R*E*A*K*T*H*R*O*U*G*H no perdían ni un segundo en el marketing. El último en enviar la comunicación Tonto de Congreso de Partido à la Bulgairesse.

    Siempre me cayó simpático Mendeleyev, creo que empiezo a saber por qué. Entre otras cosas, porque publicó su modelo importándole un rábano frito todo. El que dirán, claro. Qué más científico que eso. Si es que fue eso (y Meyer, en un cajón, muy alemán, sí).

  6. Tomás:

    Pues, no sé, querido amigo “petrus”, yo tengo mala memoria, pero no me costó mucho aprenderla, incluso con su masa y número atómico -sólo los más usados claro- que te lo pusiste o pusieron difícil, porque aún me la sé, pero en vertical, que pienso debe ser más fácil. Salvo los nuevos, naturalmente, sobre todo esos que duran medio segundo. Hasta inventé, que por ahí la tengo, una nueva manera de formular mucho más sencilla y elemental, bien que solo para la inorgánica. Es tan tonta, evidente y elemental que si la hubiera dado a conocer se hubieran descongojado de risa. Pero bueno, como estamos entre amigos, lo suelto y el que se quiera descongojar que se descongoje. Por ejemplo, el llamado, por mal nombre (por antiguo), ácido sulfúrico (14 letras) -ya sabemos: ico, oso… antes SO4H2- ahora H2SO4-, por IUPAC creo recordar que sería dihidrógeno-monoazufre-tetraoxìgeno (total 33 letras) o la otra, creo que de Stock o la sistemática, no recuerdo: “tetraoxosulfato de hidrógeno (26 letras). Pues en mi elemental nomenclatura sería “hache dos ese o cuatro” (18 letras, bastantes menos que en las otras modernas -y basta con leerlo tal como se escribe-). Hay soluciones igualmente elementales y sencillas para compuestos con paréntesis y tal. Por lo de los grupos ácidos, antiguos anhidridos, etc., no existe problema, puesto que se ven en la fórmula y, como mucho, tienen el mismo que con las nomenclaturas formalizadas. Lo mismo para, por ejemplo: H2S, ácido sulfhídrico, o sulfuro de hidrógeno o monosulfuro de dihidrógeno (16, 18, 24 letras respectivamente. Con mi descongojante sistema sería “hache dos ese” (11 letras); más sencillo, evidente y elemental.
    He dicho.
    Un abrazo asombrado, pues nunca se me había ocurrido

  7. Tomás:

    La frase tras “He dicho”, sobra. Se escapó.
    Abrazos mil.

  8. Dr. Thriller:

    Tomás, lamentablemente tengo que informarte que tu nomenclatura ya estaba inventada y es con mucho, la más usada. Pásate por cualquier aula. Por muy riguroso que sea el profesor, antes o después acaba diciendo cosas incluso tan creativas como “ese o cuatro protonado” (por ión hidrógenosulfato), por no hablar que “o dos” es una operadora telefónica. Y la Santa Sigla, donde esté un te eme ese que se quite un tetrametilsilano, o un de eme ese por un sulfuro de dimetilo.

  9. Dr. Thriller:

    Y me he acordado, “MeCOMe” (tal cual), por la acetona (propanona: metilo-carbonilo-metilo).

  10. Tomás:

    Que sí, Dr. Thriller, que sí. Naturalmente que ya estaba inventada en las aulas, pero nunca admitida formalmente como la otras “oficiales”. Y debiera, porque es tan evidente que se cae sola. Está claro que me pasé al escribir “Hasta inventé…”. Mi idea era solo novedosa en que a esa forma de nombrar no se le concedía validez, cuando debiera, porque solo se trata de leer una fórmula o de, a través de unas palabras, ser capaz de escribirla. Mi única aportación -superelemental- era para paréntesis, corchetes y cosas así. De todas formas, ante tu referencia a la inorgánica, resulta mejor, para mí, ver la fórmula, con sus enlaces y se acabó, porque la cosa se pone muy complicada cuando hay que diferenciar si tal radical aquí se une al C 1º, al 2º, etc., en los anillos o incluso en las cadenas. Máxime cuando compiten tontamente varias nomenclaturas bastante inútiles, pues dicen lo mismo que, como señalas y corroboro, igualmente se dice en las aulas desde el principio de los tiempos.
    No es que esto me de autoridad alguna, pero conozco suficientemente el tema. Hice el primer ciclo de químicas y hube de dejarlo por imcompetencia de mi trabajo con laboratorios. Incluso llegué a dar clase un curso en la asignatura de física -en primero- a petición y como favor a quien debía hacerlo. O sea que la formulación nunca fue un problema para mí. De todas formas, agradezco tus aclaraciones, siempre sesudas y documentadas que, como yo -cuando puedo- no dejas pasar una.

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