Primero, permítanme enfatizar algo que está siendo cubierto por una gruesa capa de información errónea en los medios estos días: es totalmente prematuro concluir si el LHC verá SUSY o no. Los principales detectores solo han recopilado 45/pb (y evaluado 35/pb) de los datos. La "barra pb" debe pronunciarse como "picobarns inversos".

El LHC está diseñado para recopilar cientos o miles de veces más datos de los que ha registrado hasta ahora, y eventualmente debería funcionar con el doble de energía (energía total de 14 TeV en lugar de la energía total actual de 7 TeV). Cada multiplicación de la luminosidad integrada (número de colisiones) por 10 corresponde al acceso de nuevas partículas cuyas masas son aproximadamente 2 veces mayores aproximadamente. Significa que el LHC podrá decidir sobre la existencia de nuevas partículas con masas entre 4 y 16 veces superiores a los límites inferiores actuales (16 también incluye la probable mejora de 2x 3,5 TeV a 7 TeV).

Hay al menos dos parámetros "en su mayoría independientes" con la dimensión de la masa en SUSY, quiero decir$m_0$y$m_{1/2}$. Entonces, el número de la oración anterior realmente debería estar elevado al cuadrado, y en un conteo sensato y con una medida razonable, el LHC solo ha sondeado alrededor de 1/16 - 1/256 del espacio de parámetros que es accesible para el LHC durante su vida útil.

Entonces, lo único que podemos decir ahora es que SUSY no se descubrió en una etapa extremadamente temprana del experimento, lo que muchas personas esperaban, pero esta posibilidad nunca fue respaldada por nada más que una ilusión. Si el LHC puede ver SUSY puede seguir siendo una pregunta abierta durante varios años, a menos que el LHC lo vea mucho antes que eso. Es un experimento que puede continuar hasta 2020 y más allá.

Realmente no sabemos dónde podrían estar las masas de los supercompañeros, pero pueden estar a unos pocos TeV y esto aún significaría que el LHC puede acceder a ellas.

Ahora, sus preguntas:

Lo que SUSY ayuda a resolver

Primero, SUSY es una consecuencia natural, y en su mayoría inevitable, de la teoría de cuerdas, la única teoría cuántica consistente que incluye la gravedad y las fuerzas de Yang-Mills a partir de 2011. Ver

http://motls.blogspot.com/2010/06/por qué-la-teoría-de-cuerdas-implica-supersimetría.html

En este contexto, se necesita la supersimetría para la estabilidad del vacío y otras cosas, al menos en un cierto nivel. Por otras razones, que se discutirán a continuación, es natural esperar que SUSY no se divida en escalas de energía similares a las del LHC (es decir, que debería ser visible en el LHC), pero no hay un argumento sólido que pueda calcular la escala de supercompañeros. Algunos teóricos de cuerdas incluso dicen que se debe esperar que la supersimetría se rompa a una escala muy alta (cerca de la escala GUT o la escala de Planck), porque este es un "comportamiento genérico" en el paisaje fibroso (la "mayoría" de los mínimos tienen una ruptura de SUSY a gran escala que haría que SUSY no estuviera disponible para ningún experimento factible), por lo que estos defensores del razonamiento antrópico no esperan que SUSY se vea en el LHC. Sin embargo,

¿Por qué? Hay varios argumentos principales: SUSY puede ofrecer un candidato a partícula de materia oscura muy natural, a saber, la LSP (partícula supersimétrica más ligera), muy probablemente el neutralino (el supercompañero del fotón o el bosón Z o los bosones de Higgs, o su mezcla), que parece tener la masa aproximada correcta, la fuerza de las interacciones y otras cosas para desempeñar el papel de la mayoría de la materia oscura en el Universo (de modo que la teoría del Big Bang con esta partícula adicional termina con un Universo similar al nuestro después de 13.700 millones de años). Vea un artículo sobre SUSY y la materia oscura:

http://motls.blogspot.com/2010/07/susy-y-dark-matter.html

Además, SUSY con supercompañeros no muy lejos de la escala de energía TeV o LHC mejora la unificación del acoplamiento de calibre para que las fuerzas de los acoplamientos se unifiquen muy bien cerca de la escala GUT (y tal vez se incorporen en un grupo único y simple en una escala de energía más alta no lejos de la escala de Planck), ver:

http://motls.blogspot.com/2010/06/susy-and-gauge-coupling-unification.html

La unificación en los modelos supersimétricos más simples solo es buena si los supercompañeros no están demasiado lejos de la escala de TeV, pero si están alrededor de 10 TeV, todavía está marginalmente bien. El mismo comentario con el mismo valor de 10 TeV también es válido para el trabajo de materia oscura de los neutralinos discutidos anteriormente.

Finalmente y más famoso, SUSY con masas de supercompañeros no muy lejos de la escala TeV o LHC estabiliza la masa de Higgs; explica por qué la masa de Higgs (y, en consecuencia, las masas de los bosones W y Z, entre otras partículas) no es impulsado hacia una enorme escala de energía como la escala de Planck por las correcciones cuánticas (con bucles de pares de partículas-antipartículas en los diagramas de Feynman). Esas correcciones cuánticas esperadas de otro modo se cancelan con la precisión de TeV si las masas de los supercompañeros están cerca de un TeV, y la masa de Higgs resultante puede estar naturalmente en la ventana esperada de 100 GeV - 200 GeV con una suerte adicional de 10: 1 (lo cual no está mal ).

Cuanto más ligeras son las masas de las superparejas, más "naturalmente" SUSY explica por qué la masa de Higgs sigue siendo ligera. Pero no existe un argumento estricto de que los supercompañeros tengan que ser más ligeros que 1 TeV o 10 TeV. Simplemente "suena extraño" si fueran mucho más altos que eso porque permanecería una parte no despreciable del problema de la jerarquía. Ver un texto sobre SUSY y el problema de la jerarquía:

http://motls.blogspot.com/2010/07/susy-and-hierarchy-problem.html

Se puede decir que los experimentos ya refutan el 99,999999999+ por ciento del intervalo natural a priori para una masa de Higgs concebible en el modelo estándar. SUSY cambia este conteo: la probabilidad de que la masa de Higgs termine siendo aproximadamente tan baja como sugieren las observaciones electrodébiles se vuelve comparable al 100 por ciento según una teoría SUSY. Para estar de acuerdo con otros experimentos disponibles, SUSY necesita ajustar algunos otros parámetros, pero en buenos puntos del espacio de parámetros, ninguno de los ajustes es tan extremo como el ajuste de la masa de Higgs en el modelo estándar no supersimétrico.

¿Podemos decidir si SUSY está en el LHC?

SUSY puede ocultarse durante algún tiempo, pero el LHC simplemente está programado para realizar una cierta cantidad de colisiones a una determinada energía, y esas colisiones pueden eventualmente estudiarse mediante los métodos más actualizados y la evidencia de SUSY estará allí en los datos o no. Algunos fenomenólogos a menudo quieren ser muy modestos y hablan de numerosas formas complejas en las que SUSY puede seguir ocultándose, o permanecer de facto indistinguible de otros modelos. Sin embargo, a veces las mismas personas son capaces de aplicar ingeniería inversa a un modelo artificial construido al azar (datos de colisión producidos ficticiamente) en un fin de semana: estos son los juegos que se juegan en los Juegos Olímpicos del LHC. Así que realmente no espero esconderme demasiado. Con los datos, finalmente se decidirá el destino del SUSY a escala del LHC.

Obviamente, si SUSY está allí a la escala del LHC, el LHC finalmente descubrirá fuegos artificiales de nuevos efectos (SUSY es también la posibilidad realista más atractiva para los experimentadores): todos los supercompañeros de las partículas conocidas, entre otras cosas (como un sector extendido de Higgs en relación con el modelo estándar). Sus espines y acoplamientos tendrán que comprobarse para que no coincidan con los de las partículas conocidas, y así sucesivamente. Todas las masas pueden ser sorprendentes para nosotros; realmente no conocemos ninguna de ellas, aunque tenemos varios modelos de ruptura de SUSY que predicen varios patrones.

Alternativas en caso de no observación SUSY

La materia oscura puede estar compuesta de partículas ad hoc que no requieren grandes estructuras, pero tales alternativas estarían justificadas por nada más que el trabajo simple y único que deberían desempeñar. Por supuesto que hay muchas alternativas en la literatura, pero ninguna de ellas parece estar tan justificada por otra evidencia, es decir, no ad hoc, como SUSY. Creo que en el caso de que no haya SUSY en el LHC, el LHC permanecerá a cierta distancia de "refutar por completo" las partículas SUSY como fuente de materia oscura porque este papel puede funcionar hasta masas de 10 TeV más o menos, y gran parte de esto intervalo permanecerá inaccesible para el LHC.

Entonces, el LHC es un gran dispositivo que es más fuerte que el anterior, pero uno simplemente no puede garantizar que tenga que dar respuestas definitivas sobre todas las preguntas que queremos que nos respondan. Este hecho puede ser inconveniente (y a muchos legos les encanta que les prometan que todas las preguntas inevitablemente serán respondidas por esos miles de millones de dólares, ya sea cierto o no), pero es simplemente un hecho que el LHC no es una máquina para ver cada rostro de Dios. . Hay varias alternativas para resolver el problema de la jerarquía: el pequeño modelo de Higgs, los modelos de Randall-Sundrum (que también pueden ser refutados al final del LHC). Se espera que el LHC decida sobre el destino de cada solución a la jerarquía. problema aunque siempre puede quedar cierta incertidumbre), etc. - pero estoy convencido de que incluso en el caso de que SUSY no se observe en el LHC,

Por supuesto, si alguien encuentra nuevos modelos mejores, o alguna evidencia experimental sorprendente del LHC (u otra) para algunos modelos existentes, la situación puede cambiar. Pero en este momento, lejos de SUSY, realmente no hay teorías alternativas que expliquen o resuelvan naturalmente los tres problemas anteriores al mismo tiempo. Esta capacidad de SUSY para resolver muchas cosas simultáneamente seguramente no es una prueba de que tiene que ser la solución correcta para todas ellas, pero es una gran pista. Es la razón por la que los físicos de partículas piensan que es la nueva física más probable en este momento, una conclusión que puede cambiar, pero solo si llega nueva evidencia (teórica o experimental).

Si bien está claro que la ausencia de SUSY en el LHC debilitaría el caso de SUSY y todas las direcciones relacionadas, estoy convencido de que, a menos que se encuentren en el futuro nuevas alternativas espectaculares o nuevas pruebas espectaculares de otras teorías, SUSY seguirá siendo el la dirección más seria de la fenomenología. En la teoría formal, se garantiza que su papel clave seguirá siendo primordial, independientemente de los resultados del LHC o de cualquier experimento factible. Cuantas más partes formales de la teoría de altas energías estudie un teórico, obviamente, menos dependiente será su trabajo de los hallazgos del LHC.

No tengo que explicar que la ausencia de SUSY en el LHC significaría una división más aguda de la comunidad de física de partículas.

Ausencia de SUSY y teoría de cuerdas

Claramente, si no se viera SUSY hasta 2012, 2015 o 2020, las críticas a la teoría de cuerdas serían más fuertes que nunca. Dentro de la teoría de cuerdas, se fortalecerían las voces antrópicas y los intentos de encontrar un vacío sensible con el SUSY rompiéndose a una escala de alta energía. Pero nada cambiaría realmente cualitativamente. El LHC es excelente, pero solo está moviendo la frontera de energía del Tevatron como máximo en 1-1.5 órdenes de magnitud más o menos.

Si se encuentra algo de física nueva que no sea SUSY en el LHC, la mayoría de los físicos de partículas obviamente estarán interesados ​​en cualquier modelo que pueda ser relevante para las observaciones. Si el LHC no ve nueva física, por ejemplo, si solo ve un solo bosón de Higgs, y nunca aparece nada más, la situación actual continuará cualitativamente y las tensiones solo se amplificarán. Los físicos serios tendrán que continuar sus estudios predominantemente teóricos y cada vez más cuidadosos (basados ​​en las observaciones que se incorporaron a las teorías hace décadas) sin ninguna guía sobre la nueva física de los nuevos experimentos disponibles (simplemente porque no habría nuevos datos). !), mientras que los físicos no tan serios y la gente alrededor de la ciencia fortalecerán sus afirmaciones hostiles y completamente irracionales de que la física ya no es ciencia.

Desde el punto de vista sociológico, es casi seguro que la situación se volvería desagradable para los buenos físicos y agradable para los críticos de la ciencia populistas e incultos que no están realmente interesados ​​en la verdad sobre el mundo físico. Pero la Naturaleza trabaja de la manera que Ella lo hace. Ella no está obligada a descubrir regularmente una parte de Sus secretos.

Un artículo con la misma pregunta en el título.

Curiosamente, existe una preimpresión de 2 semanas de antigüedad de 8 autores:

http://arxiv.org/abs/arXiv:1102.4693
¿Qué sucede si el LHC no encuentra supersimetría en la ejecución de sqrt(s)=7 TeV?

Puede ver que la pregunta en su título es casi idéntica a su pregunta en Physics Stack Exchange. Su respuesta es muy parecida a mi respuesta anterior: si no se encuentra el LHC durante la ejecución de 7 TeV (que debería continuar hasta finales de 2012), SUSY seguiría siendo una solución aceptable para todos los problemas que mencioné anteriormente; solo nuestra idea sobre las masas de los supercompañeros que interactúan fuertemente (gluinos y squarks) tendría que elevarse por encima de 1 TeV más o menos. Es bastante natural que esos supercompañeros que interactúan fuertemente sean los más pesados ​​entre los supercompañeros, lo que automáticamente los hace más difíciles de ver en los colisionadores de hadrones como el LHC.

El problema más importante que resuelve la supersimetría es el problema de la jerarquía : ¿por qué la escala débil, que determina la tasa de desintegración beta o las masas de los bosones W y Z, es mucho más pequeña que la escala de Planck, que está relacionada con la fuerza de la fuerza gravitacional? En otras palabras, ¿por qué la fuerza débil es tan fuerte?, en comparación con la gravedad? El problema real aquí es que las correcciones mecánicas cuánticas tienden a elevar las escalas de energía cerca de la escala más grande en cualquier sistema dado, a menos que algún mecanismo las proteja. Entonces, incluso si organiza el modelo estándar para que tenga la escala débil en un valor particular, los efectos cuánticos quieren empujarlo hacia arriba cerca de la escala de Planck. (La masa del bosón de Higgs es el parámetro específico que se ve afectado por este problema; todos los demás están protegidos por simetrías).

La supersimetría resuelve este problema de una manera elegante: en el límite de la supersimetría exacta, cualquier corrección que empuje hacia arriba la escala de masas de Higgs es cancelada por otra corrección con el signo opuesto. Si la supersimetría se rompe alrededor de la escala débil, estas correcciones siguen siendo lo suficientemente precisas como para mantener baja la escala débil. Básicamente, solo hay otras dos buenas ideas sobre cómo resolver el problema de la jerarquía: una es technicolor , que dice que la escala surge tal como lo hace la escala QCD, porque alguna fuerza de interacción es muy débil a energías muy altas y gradualmente se vuelve más fuerte a energías más bajas. , explotando precisamente en la escala débil; el otro es de grandes dimensiones extra, que en realidad no resuelve el problema, pero lo traduce a un problema geométrico diferente de por qué ciertas dimensiones son tan grandes. (Estoy pasando por alto la mayoría de las otras ideas, como Randall-Sundrum, little Higgs y modelos compuestos de Higgs, que en cierto sentido son versiones particulares de technicolor que podrían tener características extra agradables).

La principal ventaja fenomenológica de la supersimetría sobre el tecnicolor y las grandes dimensiones adicionales es que se adapta muy bien a todas nuestras observaciones de precisión. Incluso sin crear directamente nuevas partículas, cualquier teoría de la nueva física predice ciertos efectos que cambiarían ligeramente los valores y las relaciones entre las cantidades medidas con precisión. Hasta la fecha, ninguna medida de precisión muestra sin ambigüedad evidencia de física más allá del modelo estándar. Esto significa que cualquier nueva teoría tiene que ser afinada un poco, para cancelar todas estas posibles correcciones. Estas afinaciones en algunas teorías deben hacerse con tanta precisión que tendemos a encontrarlas inverosímiles. En supersimetría, se necesita un ajuste relativamente pequeño para que la teoría sea consistente con lo que hemos medido hasta ahora.

También tiene la ventaja teórica de ser una idea más profunda, ciertamente que el tecnicolor (que simplemente duplica la física que ya conocemos en QCD) y posiblemente que las dimensiones adicionales.

La otra razón muy convincente para SUSY, más allá del problema de la jerarquía, es la unificación del acoplamiento de indicadores. Esto es realmente un hecho empírico . Los acoplamientos de calibre medidos, si funcionan con altas energías, no se unifican en el Modelo Estándar. Sin embargo, se unifican, con bastante precisión, en la modificación supersimétrica del Modelo Estándar. Esto parece una pista que la naturaleza nos está dando sobre la física de muy alta energía, y la mayoría de nosotros pensamos que probablemente no sea un accidente. Ahora, es posible hacer que la unificación del acoplamiento de indicadores funcione en otros escenarios más allá del modelo estándar (como algunas versiones de technicolor), pero no parece que quiera suceder; se necesita algo de construcción de modelos. En el modelo estándar supersimétrico, sale inmediatamente. Esto es bastante convincente, para la mayoría de nosotros.

La materia oscura es el tercer punto que suele mencionarse como razón para creer en SUSY, pero no lo encuentro muy convincente. Es fácil construir modelos no SUSY con candidatos razonables de materia oscura y modelos SUSY sin ellos, y es muy plausible que alguna otra partícula extremadamente bien motivada como un axión sea la materia oscura. Pero la materia oscura podría convertirse en una supercompañera.

Si el LHC funciona según lo planeado y no encuentra evidencia de supercompañeros, creo que la mayoría de nosotros esperaría que encontrara evidencia de algún otro mecanismo para resolver el problema de la jerarquía, como el technicolor. (Hay muchas formas en las que SUSY podría aparecer, pero si hay supercompañeros en la escala TeV, es difícil imaginar que podrían pasarse por alto por completo. Así que creo que el LHC realmente podría persuadirnos de que no están presentes en la escala TeV. ) Si no encuentra evidencia de tal mecanismo (solo un modelo estándar de Higgs y nada más), entonces nos quedaremos con un rompecabezas, y muchas personas argumentarán que los escenarios antrópicos son la única respuesta. Eso sería bastante insatisfactorio, pero no tiene sentido preocuparse mucho por eso a menos que suceda.

Hay dos cosas que SUSY aporta a la física. La primera es que es una laguna en el "teorema de no-go" de Coleman Mandula, que permite que las simetrías internas de las partículas funcionen con las simetrías externas del espacio-tiempo. SUSY funciona transformando campos bosónicos en campos fermiónicos y viceversa. Entonces, las partículas que conocemos tienen sus pares supersimétricos. Esto significa que el vacío tiene un número igual de partículas fermiónicas y bosónicas, donde la energía de punto cero de estos campos es negativa y positiva respectivamente. La supersimetría ininterrumpida define naturalmente un vacío de energía cero.

Si el LHC no encuentra SUSY, nos enfrentamos a algunos problemas. Hace décadas se pensó que SUSY aparecería en el rango de 100 GeV, donde el problema de la jerarquía de medida con partículas ligeras de SUSY es mucho más simple de resolver. Si no encontramos SUSY, entonces los problemas de unificación o jerarquía de indicadores son más problemáticos, y es posible que la naturaleza simplemente no sea supersimétrica. Por varias razones, sospecho que si no obtenemos SUSY, es posible que tampoco encontremos el campo de Higgs, en cuyo caso una gran cantidad de literatura de física está en terreno inestable. Jacque Distler ha dicho que no espera nada del LHC, que es el resultado más oscuro posible para todo.

No entraré en discusiones sobre si la teoría de cuerdas es ciencia frente a algo como este posible resultado. El argumento sería tonto y sin sentido. Sin embargo, un desarrollo teórico en la ciencia que consistentemente falla en hacer contacto con las observaciones experimentales simplemente está en problemas y eventualmente se marchitará. Esto es incluso si todo resulta que si EE. UU. hubiera hecho el supercolisionador, habríamos encontrado el Higgs y SUSY y demás, porque el problema es que el dinero y la paciencia en estas cosas se van a agotar. Esto es particularmente con los Estados Unidos, que es claramente una civilización en declive, y Europa francamente está siguiendo su ejemplo. También tenga en cuenta que las poblaciones de todo el mundo y particularmente en los EE. UU. se han vuelto muy religiosas, lo que es un mal augurio para el futuro científico. ciencia particularmente grande Si hay un futuro en esto se encuentra más adelante en este siglo en China y las otras potencias asiáticas. El mundo occidental, desde los EE. UU. a través de Europa hasta Rusia, se está convirtiendo en un club de gigantes tambaleantes que están irremediablemente a la deriva y en declive.

También significa desde una perspectiva personal, si no se encuentra nada y eres lo suficientemente joven, "¡Fuera de Dodge!" No tendrá mucho sentido tratar de mantenerse al día con un campo que, en esas condiciones, se marchitará. Se recomienda encarecidamente cambiar a áreas de trabajo más nuevas, biofísica, bioinformática, nanotecnología y..., lo que hice hace algunos años. La teoría de cuerdas es algo realmente genial, pero existe la posibilidad de que todo se derrumbe.

¿Qué pasa si el LHC no ve SUSY?

El hecho de que la supersimetría (SUSY) no se haya detectado en el LHC, incluso funcionando a 13 TeV, es una prueba que favorece la gravedad cuántica de bucles (LQG) y desfavorece la teoría de (super) cuerdas: SUSY es una solución inherentemente de baja energía para Superstring. formulaciones. Esto, junto con la incapacidad de la teoría de cuerdas para calcular una única solución múltiple de Calabi-Yau para el campo gravitacional, ha llevado a un alejamiento de la teoría de cuerdas a LQG en los últimos años. Los desarrollos recientes de las redes de espín SU(2) en LQG forman una solución independiente del fondo para el surgimiento del espacio-tiempo en el universo primitivo (Era de Planck). Consulte, por ejemplo, uno de mis artículos recientes arXiv:1811.02407:physics.gen- ph , o siga la reciente serie de seminarios de Carlo Rovelli en Youtube.