Un bosón de Higgs se descompone en esta colisión registrada por el detector ATLAS el 18 de mayo de 2012.
(Imagen: © ATLAS)
Paul M. Sutter es astrofísico en SUNY Stony Brook y el Flatiron Institute, anfitrión Pregúntale a un astronauta y Radio espacialy autor de "Tu lugar en el universo."Sutter contribuyó con este artículo a Las voces expertas de Space.com: Op-Ed & Insights.
Las simetrías en la naturaleza potencian nuestra comprensión fundamental del cosmos, desde la universalidad de la gravedad hasta la unificación del fuerzas de la naturaleza a altas energías.
En la década de 1970, los físicos descubrieron una simetría potencial que unía todos los tipos de partículas en nuestro universo, desde los electrones hasta los fotones y todo lo demás. Esta conexión, conocida como supersimetría, se basa en la extraña propiedad cuántica del espín, y potencialmente tiene la clave para desbloquear una nueva comprensión de la física.
Las simetrías son poder
Durante siglos, las simetrías han permitido a los físicos encontrar conexiones subyacentes y relaciones fundamentales en todo el universo. Cuando Isaac Newton Primero hizo clic en la idea de que la gravedad que saca una manzana de un árbol es exactamente la misma fuerza que mantiene a la luna en órbita alrededor del sol, descubrió una simetría: las leyes de la gravedad son verdaderamente universales. Esta idea le permitió dar un salto tremendo en la comprensión de cómo funciona la naturaleza.
A lo largo del siglo XIX, los físicos de todo el mundo se preguntaron sobre las extrañas propiedades de la electricidad, el magnetismo y la radiación. ¿Qué hizo que la corriente eléctrica fluyera por un cable? ¿Cómo podría un imán giratorio empujar esa misma corriente? ¿Era la luz una ola o una partícula? Décadas de reflexiones difíciles culminaron en un avance matemático limpio por James Clerk Maxwell, quien unificó todas estas ramas distintas de investigación bajo un único conjunto de ecuaciones simples: electromagnetismo.
Albert Einstein también dejó su huella llevando las ideas de Newton un paso más allá. Tomando como máxima que todas las leyes físicas deberían ser iguales independientemente de su posición o velocidad, reveló relatividad especial; Las nociones de tiempo y espacio tuvieron que ser reescritas para preservar esta simetría de la naturaleza. Y agregar gravedad a esa mezcla lo llevó a relatividad general, nuestra comprensión moderna de esa fuerza.
Incluso nuestras leyes de conservación (la conservación de la energía, la conservación del impulso, etc.) dependen de la simetría. El hecho de que pueda realizar un experimento día tras día y obtener el mismo resultado revela una simetría a través del tiempo, que a través del genio matemático de Emmy Noether conduce a la ley de la conversación de la energía. Y si recoges tu experimento y lo mueves por la habitación y aún obtienes el mismo resultado, simplemente descubriste una simetría a través del espacio y la conservación correspondiente del momento.
Un espejo giratorio
En el mundo macroscópico, eso resume casi todas las simetrías que hemos encontrado en la naturaleza. Pero el mundo subatómico es una historia diferente. Las partículas fundamentales de nuestro universo tener una propiedad interesante conocida como "spin". Primero se descubrió en experimentos que dispararon átomos a través de un campo magnético variado, haciendo que sus trayectorias se desviaran exactamente de la misma manera que lo haría una bola de metal giratoria, cargada eléctricamente.
Pero las partículas subatómicas no están girando, bolas de metal cargadas eléctricamente; solo actúan como ellos en ciertos experimentos. Y a diferencia de sus análogos del mundo regular, las partículas subatómicas no pueden tener la cantidad de rotación que desean. En cambio, cada tipo de partícula obtiene su propia cantidad única de giro.
Por varias razones matemáticas oscuras, algunas partículas como el electrón tienen un giro de ½, mientras que otras partículas como el fotón obtienen un giro de 1. Si se pregunta cómo un fotón podría comportarse como una bola de metal cargada que gira, entonces no te preocupes demasiado; usted es libre de pensar en el "giro" como otra propiedad de las partículas subatómicas que debemos controlar, como su masa y carga. Y algunas partículas tienen más de esta propiedad, y algunas tienen menos.
En general, hay dos grandes "familias" de partículas: aquellas con giro de medio entero (1/2, 3/2, 5/2, etc.), y aquellas con entero entero (0, 1, 2, etc. .) girar. Los halfsies se llaman "fermiones" y están formados por los componentes básicos de nuestro mundo: electrones, quarks, neutrinos, etc. Los wholsies se llaman "bosones" y son los portadores de las fuerzas de la naturaleza: fotones, gluones y el resto.
A primera vista, estas dos familias de partículas no podrían ser diferentes.
Sinfonía de espartículas.
En los 1970s, teóricos de cuerdas comenzó a mirar críticamente esta propiedad del giro y comenzó a preguntarse si podría haber una simetría de la naturaleza allí. La idea se expandió rápidamente fuera de la comunidad de cuerdas y se convirtió en un área activa de investigación en física de partículas. De ser cierto, esta "supersimetría" uniría a estas dos familias de partículas aparentemente dispares. Pero, ¿cómo sería esta supersimetría?
La esencia básica es que, en la supersimetría, cada fermión tendría una "partícula supercompañera" (o "partícula" para abreviar, y los nombres solo empeorarán) en el mundo bosón, y viceversa, con exactamente la misma masa y cargar pero un giro diferente.
Pero si buscamos las partículas, no encontramos ninguna. Por ejemplo, la partícula del electrón (el "selectrón") debe tener la misma masa y carga que el electrón, pero un giro de 1.
Esa partícula no existe.
Entonces, de alguna manera, esta simetría debe romperse en nuestro universo, elevando las masas de las partículas fuera del alcance de nuestros colisionadores de partículas. Hay muchas formas diferentes de lograr la supersimetría, todas predicen masas diferentes para los selectrones, los quarks de parada, los sneutrinos y todos los demás.
Hasta la fecha, no se ha encontrado evidencia de supersimetría, y los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones han descartado los modelos supersimétricos más simples. Si bien no es el último clavo en el ataúd, los teóricos se rascan la cabeza, preguntándose si la supersimetría no se encuentra realmente en la naturaleza, y qué deberíamos pensar a continuación si no podemos encontrar nada.
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Aprende más escuchando el episodio "¿Vale la pena la teoría de cuerdas? (Parte 4: Lo que necesitamos es un superhéroe)" en el podcast Ask A Spaceman, disponible en iTunesy en la Web en http://www.askaspaceman.com. Gracias a John C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T ., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. por las preguntas que llevaron a esta pieza! Haga su propia pregunta en Twitter usando #AskASpaceman, o siguiendo a Paul @PaulMattSutter y facebook.com/PaulMattSutter. Síguenos en Twitter @Spacedotcom o Facebook.
