El bosón de Higgs es un componente central del "modelo estándar", una teoría que define las relaciones entre las fuerzas del universo. Pero, ¿y si el bosón de Higgs no es una partícula fundamental, sino más bien un estado ligado de nuevas partículas que aún no se han visto?
"Desde el principio del modelo estándar, la gente no ha estado contenta con la idea de que el bosón de Higgs sea una partícula fundamental", dijo Thomas Degrand, profesor de física en la Universidad de Colorado.
Los científicos que abogan por modelos alternativos de la física de partículas están motivados por la teoría de lasuperconductividad. El estado superconductor, el cuál es muy diferente de la materia ordinaria, no se caracteriza por nuevas partículas, sino por los pares de Cooper - estados ligados de los electrones .
la imágen muestra un ejemplo de datos simulados para el Compact Muon Solenoid (CMS) un detector de partículas en el LHC.Aquí después de una colisión de dos protones un bosón de Higgs es producido el cuál se desintegra en dos chorros de hadrones y dos electrones .Las teorías de Thomas Degrand representan una alternativa al modelo estándar.Crédito: TACC.
la imágen muestra un mapa de la teoría Technicolor de partículas queThomas DeGrand estudia .El eje horizontal representa el número de colores y el vertical el número de sabores de quarks .Los diferentes colores describen diferentes clases de estructura de color para los quarks.Las bandas sombreadas son zonas donde los teóricos (D. Dietrich y F. Sannino) predicen existe la "teoría de impartícula"Crédito: Physical Review D75, 085018 (2007).
El modelo estándar de física de partículas sugiere que los protones y neutrones con los cuales estamos familiarizados,y que conforman el núcleo de los átomos, están formados por combinaciones de diferentes tipos de partículas elementales llamadasquarks y gluones. No podemos ver estas partículas de forma aislada, porque una fuerza fundamental llamada "la interacción fuerte" las mantiene firmemente unidas, pero los experimentos conducen a los físicos a creer que estos quarks vienen en tres variedades, cada uno con diferentes propiedades, o "colores".
Nadie sabe por qué el contenido de partículas del modelo estándar es lo que es.Una posibilidad lógica que existe es que podrían haber más tipos de quarks y gluones con diferentes números de colores, los cuáles interactuarían fuertemente entre sí.En conjunto, estas posibilidades se conocen como teorías technicolor.
Degrand pasó muchos años estudiando la teoría detrás de las interacciones de quarks y gluones, conocida comocromodinámica cuántica (QCD), antes de que él dirigiera su atención a las teorías de technicolor. El es co-autor de uno de los libros clásicos en el campo.
Sin embargo, la QCD no describe todos los aspectos del modelo estándar, sobre todo la naturaleza "final" de las partículas no descubiertas. La construcción del LHC, y el sentimiento de que los nuevos conocimientos se esperan a la vuelta, condujo a Degrand a las exploraciones de las teorías de partículas alternativa.
"Me cansé un poco del enrejado de la QCD ", dijo Degrand. "Las teorías de technicolor plantean preguntas más interesantes."
En los últimos cinco años, los científicos descubrieron que muchas de las técnicas de computación que habían sido inventadas para la QCD se podrían aplicar a las teorías de technicolor también. En el 2008, dos colegas de la Universidad de Tel Aviv, Yigal Shamir y Svetitsky Benjamin, invitaron a Degrand para unirse a su equipo de investigación. Aplicando la misma metodología que ayudó a Degrand para la QCD, el equipo comenzó la simulación de las teorías candidatas de technicolor y sacar conclusiones a partir de los extraños resultados de estos mundos simulados.
Para el cálculo de las interacciones de los nuevos tipos de quarks y gluones en varias configuraciones sobre enrejados de redes gigantes, el equipo utilizó el computador Ranger financiado por la National Science Foundation (NSF), - uno de las más grandes del mundo – situado en el Texas Advanced Computing Center. En las simulaciones numéricas, las redes se encuentran (virtualmente) en cajas de diferentes tamaños y la reacción de las partículas al tamaño de la caja proporciona información sobre las características energéticas del sistema.
"Esto no es algo que un experimentador pueda hacer", dijo Degrand. "Pero como teóricos, podemos inventar estos mundos falsos donde el sistema se encuentra en una caja de un tamaño específico, y podemos medir la fuerza de las interacciones de quarks y gluones en grandes cajas, cajas medianas y pequeñas cajas para ver cómo cambian. El cambio de las escalas de energía o momento están relacionados con el cambio del tamaño físico del sistema. "
La supercomputación desempeña un papel fundamental en este proceso, que implica la resolución de complejas ecuaciones cuánticas para un gran número de partículas. En los últimos dos años, Degrand y sus colegas han utilizado cerca de tres millones de horas de procesamiento en Ranger (el equivalente de 340 años en un procesador simple) para simular las nuevas partículas compuestas por quarks con dos colores y tres colores, respectivamente. Las simulaciones ayudan a caracterizar las nuevas partículas y determinar si son candidatas para la física más allá-del modelo estándar.
Las simulaciones en Ranger revelaron que los modelos más sencillos de technicolor, con dos colores, tienen propiedades que son muy diferentes de un sistema de partículas convencional.El profesor H. Georgi de la Universidad de Harvard acuñó el nombre de "teoría de impartícula" para describir estos sistemas.
El sistema de tres colores era un poco más misterioso. Los investigadores no pudieron determinar si se trataba de una teoría de partícula o una teoría de impartícula. Sin embargo, las simulaciones claramente no representan una opción viable en el escenario del mundo real. Para que una teoría technicolor sea un candidato viable para la nueva física, debe presentar un comportamiento inusual para evitar conflictos con las restricciones definidas por el actual conocimiento experimental. El sistema de tres colores no satisface este criterio. Los investigadores están actualmente continuando su mapa de los modelos de partículas posibles mediante la simulación de sistemas de cuatro colores de quarks.
"La idea de que el mecanismo de Higgs podría ser causado por las fuertes interacciones de todavía-a-ser-descubiertas partículas elementales ha estado con nosotros desde hace algún tiempo, pero hasta hace poco, ha sido difícil de probar esta idea por falta de recursos informáticos adecuados ", dijo Carlton DeTar, un antiguo colaborador de la Universidad de Utah,quién no participó en la investigación actual. "Degrand y sus colaboradores se encuentran entre los principales grupos en el mundo que usan simulaciones numéricas de gran alcance para investigar esta alternativa interesante. Los resultados podrían tener profundas implicaciones para la búsqueda de la partícula de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones en Europa".
Al igual que las pinturas surrealistas de Salvador Dalí revelan que se da por sentado los aspectos de nuestro mundo material, la alternativa de las teorías technicolor tienen un valor intelectual. Ellas nos enseñan acerca de las teorías de partículas, colocándolas en un contexto más amplio.
Para Degrand, el estiramiento de la mente es más importante que, la aventura de descubrir algo realmente novedoso.
"Es de alto riesgo y alta recompensa de investigación", dijo Degrand.
Pero, si él y sus colegas encuentran una alternativa viable al modelo estándar , ello podría llevar a la siguiente teoría del todo.
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fuente de la información:
http://www.nsf.gov/discoveries/disc_summ.jsp?cntn_id=119404&org=NSF
