Teoría de cuerdas y modelo estándar en el CERN

Al igual que con muchas discusiones sobre la teoría de cuerdas, a veces es bueno recordar alguna realidad:

Hace más de 50 años que se propuso el mecanismo de Higgs. Comparado con teorías completas como la teoría de cuerdas, el mecanismo de Higgs es un pequeño complemento del modelo estándar observado (como lo era entonces). Se necesitaron 50 años para que el experimento llegara al punto de verlo y, de hecho, hasta ahora solo un primer vistazo. Durante 50 años, el mecanismo de Higgs fue especulación no confirmada por experimentos. Tenía todo el respaldo teórico detrás, toda la teoría apuntaba a que era cierto, pero no pudo comprobarse experimentalmente durante 50 largos años. Durante 50 años, tuviste la libertad de hacer documentales de televisión sobre física de partículas sin mencionar el mecanismo de Higgs, si pensabas que era una propuesta demasiado extravagante para tener la posibilidad de ser confirmada. Entonces finalmente el experimento alcanzó su escala de energía y ahí estaba. 50 años después

Como todos saben, hay escenarios concebibles en los que más allá del modelo estándar de física está a la vuelta de la esquina, pero nada para descartar que se necesitan otros 50 años para ver la próxima pieza de "nueva física". Eso es sólo un hecho de nuestra corta vida.

Pero eso no es necesariamente tan malo como puede parecer. Si bien la "nueva física" puede seguir siendo especulativa durante mucho tiempo, aquí hay un secreto bien guardado para tomar nota: incluso la física antigua aún no se comprende por completo . Y la teoría de cuerdas puede ayudar aquí, y los teóricos lo saben (aunque es posible que las estaciones de televisión aún no hayan captado el mensaje).

Por ejemplo, el cálculo de las amplitudes de dispersión, incluso en el modelo estándar conocido y confirmado, sigue siendo un desafío, si solo es lo suficientemente ambicioso. La teoría de cuerdas ha ayudado a comprender algunos puntos sutiles en la teoría de perturbaciones de Yang-Mills. Vea los enlaces en teoría de cuerdas aplicada en otros lugares -- amplitudes de dispersión QCD . En particular, echa un vistazo a la notable historia vinculada allí, contada por Matthew Strassler en su publicación De la teoría de cuerdas al gran colisionador de hadrones., que trata sobre cómo los conocimientos de la teoría de cuerdas sobre las amplitudes de dispersión de QCD ayudaron a aumentar la precisión de los cálculos de bucle al nivel en el que fue posible, en primer lugar, separar la señal del fondo en el LHC. Cita a personas que estuvieron involucradas diciendo que sin estos conocimientos de la teoría de cuerdas, el Higgs podría haberse producido, pero no identificado en el LHC. Échale un vistazo, es una historia interesante.

Vale la pena recordar otra cosa de vez en cuando: aunque a todos nos gusta proclamar que entendemos la física de partículas fundamental a través de la teoría cuántica de Yang-Mills, el hecho es que la teoría cuántica de Yang-Mills sigue siendo un problema teórico abierto. Sabemos que no entendemos algunos hechos muy fundamentales sobre qauntum Yang-Mills. Es un "problema del milenio" la existencia de Yang-Mills y la brecha de masas .

Ahora, algo en lo que se ha convertido la teoría de cuerdas después de su "segunda revolución" es algo así como un mapa del espacio de las teorías de campos similares de Yang-Mills y varias teorías "dual". A través de la física de la brana D, la reducción de KK, AdS/CFT, etc. Las teorías similares a Yang-Mills aparecen de diversas formas en varios rincones de la teoría de cuerdas, y su incorporación en la teoría de cuerdas explica geométricamente las equivalencias sutiles entre estos, como eléctrico/magnético. dualidad, etc. Si no lo ha visto antes, consulte en http://ncatlab.org/nlab/show/gauge+theory+from+AdS-CFT+--+tableal menos parte de este "mapa" de la teoría de cuerdas del espacio de las teorías cuánticas de campos relacionadas con la teoría de Yang-Mills. Si bien esto aún no ha resuelto el problema de la brecha de masa, claramente, uno puede comenzar a sentir que la naturaleza más profunda de la teoría de Yang-Mills se está investigando aquí de manera lenta pero segura.

El remate aquí es el siguiente: además de ser un marco para modelos de gravedad cuántica y unificación de calibre, la teoría de cuerdas es una parte de la física teórica que arroja luz sobre la naturaleza de la teoría cuántica de campos como tal. Mientras que los experimentadores y los medios de comunicación públicos están ocupados con la física de Higgs ahora que esperaron durante medio siglo, tal vez los teóricos puedan usar el tiempo antes del próximo acelerador para dar un paso atrás y pensar un poco más sobre los temas más fundamentales aún abiertos de la física cuántica. . Ahí es donde la teoría de cuerdas ya ha ayudado, y creo que ayudará en el futuro. Por supuesto que no verás esto en la televisión pública.

(En general, es sorprendente en estos días cómo no solo los medios de comunicación públicos, sino también la atención de la comunidad en general se sienten constantemente atraídas por los avances superficiales e ignorando los avances profundos que ocurren en la física fundamental. Por ejemplo, hay mucho entusiasmo sobre, digamos, el concurso de ensayo de cortafuegos, pero los avances realmente interesantes, como por ejemplo en la caracterización matemática genuina de la teoría de cuerdas, aquí sigue siendo un tema entre un pequeño grupo de especialistas. Al mismo tiempo, todos tienen una opinión sobre el "paisaje", y todos los demás tiene la opinión opuesta. Lo que se necesita en cambio es un trabajo teórico más decente sobre los fundamentos de la teoría cuántica de campos e, inevitablemente, entonces, la teoría de cuerdas).

El modelo estándar es una teoría cuántica de campos que explica casi todo lo que sabemos excepto la gravedad, y puedes hacer cálculos muy precisos usándolo (aún más precisos, ahora que conocemos la masa del bosón de Higgs). Sin embargo, hay buenas razones para creer que la gravedad no puede incorporarse a una teoría cuántica de campos.

La teoría de cuerdas intenta incorporar la gravedad y el modelo estándar en la Teoría del Todo, y se supone que predice todo si puede encontrar la forma correcta de plegar las dimensiones adicionales. Sin embargo, hay tantas formas posibles de plegarlos que actualmente no puede predecir nada que realmente pueda medirse con experimentos actuales o en un futuro cercano, y algunas personas creen que es posible que nunca pueda hacerlo. No todo el mundo cree que la Teoría de Cuerdas sea la Teoría del Todo correcta, pero nadie ha ideado otra forma generalmente aceptada de combinar las teorías de la gravedad y del campo cuántico.

Creo que agregaré mis dos bits como experimentalista.

El modelo estándar no es el resultado de físicos brillantes que pensaron profundamente y propusieron una formulación teórica autoconsistente que se ajustó milagrosamente a los datos. Es el resultado de una fuerte interacción entre experimentos y modelos tentativos que se unieron a lo que ahora es el modelo estándar . En su creación ha incorporado una gran cantidad de constantes de los datos experimentales, debido a que la teoría viene con una cantidad de constantes desconocidas. En un sentido muy real, el modelo estándar es una encapsulación abreviada de casi todos los datos conocidos de la física de partículas, algunos incorporados, algunos predichos, y al mismo tiempo es capaz de predecir mediante cálculos fenómenos aún no medidos. Esto es, para las energías de las que disponemos hasta ahora con el LHC, bastante suficiente.

Hay indicios de que el SM no puede describir todo en partículas elementales incluso a estas bajas energías como ocurre con algunas discrepancias de violación de CP .

La teoría sigue su propio camino: los teóricos no están satisfechos con el éxito fenomenológico del SM, ya que para energías suficientemente altas los cálculos se rompen debido a infinitos no envueltos. Incluso antes de las cuerdas y la supersimetría de la teoría de cuerdasfue visto como una solución atractiva para resolver infinitos a altas energías inherentes al SM. Al mismo tiempo, debido a los datos cosmológicos, los teóricos persiguen la cuantificación y la unificación consistente de las cuatro fuerzas en muchos frentes. La teoría de cuerdas tiene las estructuras de grupo necesarias para acomodar el SM y la supersimetría (un espejo del SM aún por verse experimentalmente) y es capaz de incorporar la gravedad en todo el esquema. Por el momento es el único esquema capaz de hacer todo esto. Los fenomenólogos que trabajan arduamente están tratando de predecir los efectos en las energías del LHC, pero sin éxito en este momento, ya que el SM es suficiente para explicar lo que se ha medido (o publicado, puede haber cosas emocionantes en el futuro) hasta ahora.

Como ingeniero, comprenderá que los experimentadores siguen los planos de SM en busca de discrepancias para anunciar nueva física. Por el momento no hay ninguno, por lo que la mayoría de ellos no hablan de cuerdas, aunque hay grupos que prueban predicciones fenomenológicas a partir de grandes dimensiones extra en la teoría de cuerdas.

La energía de colisión objetivo de 14 TeV para el LHC es la más adecuada para investigar la física en torno a la escala electrodébil de unos 246 GeV y algo más. Para la energía sondeada hasta ahora por el LHC de 8 TeV y teniendo en cuenta el análisis de los datos realizado hasta ahora, el modelo estándar parece funcionar bastante bien a estas escalas, por lo que parece natural parametrizar las observaciones mediante el modelo estándar hasta la nueva física. aparece.

Sin embargo, la teoría de cuerdas es ante todo una teoría de la gravedad cuántica y sus grandes efectos observables aparecerían de forma más natural en la escala de gravedad cuántica, que es mucho más alta (sobre la escala de Planck de aproximadamente$10^{19}$GeV) que la escala de energía directamente alcanzable por el LHC.

Sin embargo, bien podría ser que la teoría de cuerdas y otras físicas de BSM de alta energía tengan efectos de baja energía que, en principio, pueden verse en el LHC. La fenomenología de alta energía es la parte de la física de partículas que trata de predecir tales efectos. Por ejemplo , la fenomenología de cuerdas es una industria en crecimiento y este documento ofrece una visión algo más amplia sobre los efectos fenomenológicos de baja energía potencialmente observables de la física de la escala de Planck.

Técnicamente hablando, el modelo estándar es una buena teoría eficaz para describir la física en torno a la escala electrodébil, y se espera que se vincule mediante la renormalización a una teoría más general (por ejemplo, la teoría de cuerdas) necesaria para describir la física en la escala de Planck. Cualquier teoría unificada que sea buena tiene que ser capaz, en principio, de reproducir el modelo estándar como una teoría efectiva.

Para ir al grano, dado que la GUT o la escala de gravedad cuántica (donde se espera que la fuerza de la gravedad sea comparable a las otras tres fuerzas) están muy separadas de la escala de energía probada por el LHC hasta ahora y no hay fuertes indicios de nuevas la física ha aparecido hasta ahora, estoy de acuerdo con Matt Strasslerque es mejor centrarse en la física del modelo estándar en los textos sobre el CERN y el LHC dirigidos a una audiencia de no expertos. Pero esto no significa que hacer física BSM para tratar de entender cómo funciona fundamentalmente nuestro universo y buscar indicios de él no sea importante y, como explica muy bien Urs Schreiber, la teoría de cuerdas es incluso útil para hacer cálculos de modelos estándar que no habrían sido posibles. sin estas percepciones. Y como dice Lubos en un comentario (si le entiendo bien), como la teoría de cuerdas en principio contiene el modelo estándar como una teoría efectiva en la escala electrodébil, tratar de aplicar cálculos de teoría de cuerdas pura a las observaciones en el LHC es solo un paso más. reparametrización complicada.

Por supuesto, libros como el Universo elegante vinculado en la pregunta (que los expertos consideran bueno) también tienen su legitimidad, para brindar a las personas curiosas sobre la física BSM, la gravedad cuántica, los agujeros negros, la cosmología del universo primitivo, etc. una buena introducción. a una posible manera de describir estas cosas teóricamente.

La teoría de cuerdas no puede realizar casi ningún cálculo práctico por sí misma. Por ejemplo, no puede predecir cuál es la probabilidad de producir algunos muones en ciertos ángulos a partir de la colisión de electrones utilizando la teoría de cuerdas; nadie sabe cómo hacerlo.

Sin embargo, algunas personas argumentan que ST se reduce al modelo estándar en la mayoría de los casos. Sin embargo, no se ha calculado explícitamente.

Y así, los físicos ordinarios dicen que usan el modelo estándar y usan el modelo estándar, mientras que los teóricos de cuerdas usan el modelo estándar y dicen que están usando la teoría de cuerdas.