Supersimetría: definición y explicación de teoría, pruebas y materia oscura
La supersimetría es una teoría científica que afirma que cuando se formaron las partículas elementales (como los fotones, los electrones y los quarks) al principio del universo, también se crearon tipos de "superpartículas" teóricas. Si esta teoría es cierta, al menos duplicaría los tipos de partículas del universo. Si el universo tiene dimensiones adicionales (la teoría M de Edward Witten predice hasta 11), también habría más formas de tener simetría y más tipos de superpartículas.
Muchos científicos esperan probar la supersimetría porque llena muchas lagunas del Modelo Estándar de la física (incluida la materia oscura) y daría apoyo a las ideas de la teoría de cuerdas. Sin embargo, los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones no han encontrado hasta ahora pruebas de la supersimetría.
La supersimetría fue una idea de Hironari Miyazawa (nacido en 1927).
¿Qué es la supersimetría?
La supersimetría (SUSY) es una extensión del marco de la física de partículas que propone una relación entre dos clases de partículas: bosones (con spin entero) y fermiones (con spin semientero). Según SUSY, a cada partícula conocida del Modelo Estándar le correspondería una superpareja cuya diferencia principal es el espín. Por ejemplo, a un quark (fermión) le correspondería un squark (bosón) y a un gluón (bosón) le correspondería un gluino (fermión).
Motivaciones y ventajas teóricas
- Problema de la jerarquía: la supersimetría puede cancelar grandes correcciones cuánticas al cuadrado de la masa del bosón de Higgs, reduciendo la necesidad de ajustes finos.
- Unificación de acoplamientos: en muchos modelos supersimétricos las constantes de interacción (fuertes, débiles y electromagnéticas) tienden a unificarse a una energía alta, lo que sugiere una posible teoría de gran unificación.
- Candidato para materia oscura: si existe una simetría llamada R-paridad y la partícula supersimétrica más ligera (LSP) es neutra y estable, puede actuar como materia oscura fría.
- Compatibilidad con teorías más amplias: SUSY aparece de forma natural en la teoría de cuerdas y en construcciones de gravedad cuántica como la supergravedad.
Superpartículas y nomenclatura
Algunos ejemplos de superparejas habituales:
- Electrón → seletrón (slepton)
- Quark → squark
- Gluón → gluino
- Fotón → fotino
- Bosones débiles W/Z → charginos y neutralinos (mezclas de fotino, zino y higgsinos)
- Gravitón → gravitino
En modelos concretos como el MSSM (Minimal Supersymmetric Standard Model) se especifica el conjunto mínimo de superpartículas, masas y acoplamientos necesarios para extender el Modelo Estándar.
Ruptura de supersimetría
Si la supersimetría existiera en la naturaleza, no puede ser una simetría exacta a bajas energías porque no hemos observado superpartículas con las mismas masas que las partículas conocidas. Por eso los modelos incluyen mecanismos de ruptura de supersimetría que dan masas más altas a las superparejas. Existen varios esquemas teóricos para esa ruptura (mediada por gravedad, por gauge, por anomalías, etc.), y cada uno produce espectros y señales experimentales diferentes.
Supersimetría y materia oscura
Una de las motivaciones principales es que la LSP en modelos con R-paridad conservada suele ser estable y, si es neutra y débilmente interactuante (por ejemplo, un neutralino o un gravitino), puede ser un buen candidato para la materia oscura. Esto conecta la física de colisionadores con búsquedas astrofísicas y experimentos de detección directa e indirecta. No obstante, las restricciones de los experimentos han excluido grandes regiones del espacio de parámetros, aunque aún quedan escenarios viables.
Búsqueda experimental y estado actual
Las búsquedas directas de SUSY se realizan principalmente en colisionadores (especialmente en el Gran Colisionador de Hadrones) buscando eventos con múltiples jets, leptones y energía faltante (indicativa de partículas invisibles). También se buscan señales indirectas en astrofísica y en experimentos de detección directa de materia oscura.
Hasta la fecha no hay evidencia convincente de superpartículas. Los experimentos han impuesto límites significativos a masas y acoplamientos, pero esos límites son muy dependientes del modelo: ciertos esquemas (por ejemplo, con espectros comprimidos o con partículas muy pesadas) pueden escapar a las búsquedas actuales. Por ello la posibilidad de SUSY a escalas más altas o con características no triviales sigue abierta.
Historia breve y desarrollo
La idea temprana atribuida a Hironari Miyazawa fue una de las primeras en proponer relaciones entre partículas diferentes. Sin embargo, la formulación moderna de la supersimetría en teoría cuántica de campos se desarrolló en las décadas de 1970 con contribuciones clave de investigadores como Yuri Gol'fand y Evgeny Likhtman, y más tarde de Julius Wess y Bruno Zumino, entre otros. Desde entonces surgieron variantes como la supergravedad y su inclusión en la teoría de cuerdas, así como el concepto de teoría M que extiende la geometría y las dimensiones del universo.
Preguntas abiertas y perspectivas futuras
- ¿La supersimetría existe cerca de la escala accesible por los colisionadores actuales o está a energías mucho mayores?
- ¿La LSP es la materia oscura o existen otros candidatos? ¿Cómo concilian los límites de detección directa con modelos SUSY concretos?
- Futuros experimentos —HL-LHC, colisionadores de mayor energía, mejores detectores de materia oscura y precisiones en medidas de precisión— podrán ampliar la sensibilidad y explorar regiones de parámetro aún no probadas.
Conclusión: la supersimetría sigue siendo una de las propuestas más elegantes y prometedoras para extender el Modelo Estándar, con beneficios teóricos claros (jerarquía, unificación, candidatos para materia oscura). Sin embargo, la ausencia de señales experimentales hasta ahora obliga a considerar variantes más complejas o escalas más altas, y mantiene el tema como un área activa de investigación tanto teórica como experimental.
