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 [1]
Fuentes y referencias:
Artículo original [2]
Artículo en ArXiV I. [3]
Artículo en ArXiV II. [4]
Artículo en ArXiV III. [5]
Nota en APS. [6]
Ilustración: APS/Alan Stonebraker.