Investigan nuevas teorías más allá del modelo estándar de física de partículas

USM/DICYT El descubrimiento del Bosón de Higgs, en julio del año 2012, cerró una etapa en las investigaciones de los físicos de partículas pero una serie de temas aún por descifrar mantienen en alerta a los científicos del mundo. En Chile, el Investigador Joven del Departamento de Física de la Universidad Técnica Federico Santa María y Doctor en Física, Antonio Cárcamo, se adjudicó un proyecto Fondecyt de Iniciación para desarrollar su investigación titulada “Multi Higgs Models with discrete Flavour symmetries”.

El objetivo de este proyecto es “estudiar las implicaciones de diferentes teorías que van más allá del modelo estándar de física de partículas, en las masas y mezclas de fermiones elementales (quarks y leptones)”, señala el Dr. Antonio Cárcamo, quién explica que una de las problemáticas con el modelo estándar es que “éste no explica la jerarquía de masas de los fermiones elementales, es decir, de los quarks y los leptones, y tampoco explica los ángulos de mezcla de las diferentes familias de fermiones”.

Agrega que “en el modelo estándar no se explica por qué los ángulos de mezcla entre las familias de quarks son pequeños mientras que dos de los ángulos de mezcla entre las familias de leptones son grandes y uno es pequeño. Tampoco el modelo estándar explica por qué hay tres familias de fermiones elementales”. En el modelo estándar, el problema de la jerarquía de masas de los fermiones elementales se traslada al problema de la jerarquía en la intensidad de las interacciones de dichas partículas con el bosón de Higgs.

“Las partículas elementales adquieren masa mediante la interacción con el bosón de Higgs y dicha masa es directamente proporcional a la intensidad de dicha interacción. Un electrón al moverse en el campo de Higgs siente una fricción o resistencia a su movimiento, la cual corresponde a su masa. El quark top interactúa muy fuertemente con el bosón de Higgs; la intensidad de su interacción con el campo de Higgs es un millón de veces más fuerte que la del electrón, y su masa es de alrededor de un millón de veces mayor que la del electrón. El fotón no interactúa con el Higgs, y su masa es nula”.

En ese sentido, su investigación se plantea como una extensión del modelo estándar de física de partículas. “Uno trata de explicar las jerarquías de masa y ángulos de mezcla entre las familias de los fermiones elementales, entonces hay diferentes posibilidades que uno puede explorar. Además, uno tiene que asumir que aparte del Bosón de Higgs descubierto hay otros bosones más pesados así como también, en algunos casos, suponer la existencia de fermiones exóticos (quarks y leptones exóticos) muy pesados, los cuales todavía no han sido descubiertos”. Las masas de dichas partículas y la intensidad de sus interacciones con el resto de partículas quedarán restringidas por observables, como por ejemplo la probabilidad de decaimiento del bosón de Higgs a pares de fotones y la razón entre las masas de los bosones W y Z, portadores de la interacción electrodébil”.

“Lo que yo espero es encontrar una teoría que permita dar con una simetría discreta entre las partículas elementales y que permita predecir la jerarquía de masa y los ángulos de mezcla entre las familias de fermiones y que tenga el menor número posible de parámetros. Una teoría predictiva tiene menor cantidad de parámetros que de observables. Entonces lo que yo busco es explorar diferentes posibilidades, para ver cuál es la teoría más consistente con los resultados experimentales”, explica.

El Higgs y el futuro

A juicio del Dr. Cárcamo, la determinación de la existencia del Bosón de Higgs vino a confirmar el actual modelo de la física de partículas. “Lo que no se sabe hasta el momento es si este bosón es parte del modelo estándar de física de partículas o si pertenece a una teoría más complicada, que tiene otras partículas adicionales más pesadas que no se han descubierto hasta el momento. Tampoco se sabe si el bosón de Higgs es una partícula elemental o una partícula compuesta. Además, el modelo estándar carece de un mecanismo que explique por qué la masa del bosón de Higgs es 126 GeV, es decir 126 veces la masa del protón. Hay que tener en cuenta que la escala hasta la cual se supone que el modelo estándar es válido es 17 órdenes de magnitud mayor y las correcciones cuánticas a la masa del bosón de Higgs en este modelo dependen cuadráticamente de dicha escala”.

Respecto a los nuevos horizontes que abrió este descubrimiento, el investigador cree aún queda mucho por explorar, “pienso que en unos años, cuando se aumente la energía del gran Colisionador de Hadrones, se podrá confirmar o descartar la existencia de partículas adicionales al Bosón de Higgs”.

Pero las interrogantes por resolver no se quedan solo en ese tema, ya que el modelo estándar tiene, en opinión del experto, otros vacíos, como por ejemplo éste no provee una explicación para la materia oscura ni para la energía oscura. Sabemos que “la materia visible, es decir la materia contenida en las galaxias del universo corresponde al 5% de la materia del universo, mientras que el 20% del universo es de materia oscura. La existencia de la materia oscura se postuló para poder suministrar una explicación teórica de las curvas de rotación de las galaxias que sea consistente con las observaciones”.

“Por otro lado, para explicar la expansión del universo se necesita un 75% más de energía que la predicha con las teorías de gravitación de Einstein. A esta energía se le llama energía oscura. Hasta el momento no se ha determinado cuál es la partícula que corresponde a la materia oscura. Hay varios candidatos a materia oscura, como por ejemplo los neutrinos y los bosones de Higgs pesados. Dado que una partícula candidata a materia oscura debe interactuar débilmente con las partículas conocidas, podría existir la posibilidad de que bosones de Higgs adicionales que todavía no han sido descubiertos tengan las características para ser candidatos a materia oscura. Probablemente las partículas más pesadas pueden ser candidatas a materia oscura, es un tema que hay que investigar”, finaliza.