En física, ¿qué es el secuestro?

En el contexto de la física, el secuestro es un medio propuesto por el cual ciertas partículas y fuerzas pueden limitarse a dimensiones adicionales, evitando o minimizando su interacción con las partículas y fuerzas que componen el Modelo Estándar. La idea, que tiene una relevancia particular para la teoría de cuerdas, la teoría M y la supersimetría (SUSY), fue desarrollada por los físicos teóricos Lisa Randall y Raman Sundrum. El secuestro puede resolver algunos problemas importantes en la física de partículas. En particular, ofrece una solución a lo que se conoce como el "problema de jerarquía" a través de la ruptura de la supersimetría, al tiempo que evita otro problema conocido como "violación del sabor".

Los físicos han buscado durante mucho tiempo una Gran Teoría Unificada (GUT) que une las cuatro fuerzas de la naturaleza: la fuerza electromagnética, las fuerzas nucleares fuertes y débiles y la gravedad, así como explicar las propiedades de todas las partículas elementales. El gran problema que cualquier teoría debe abordar es la aparente incompatibilidad de la relatividad general con la teoría cuántica y el Modelo Estándar. La teoría de cuerdas, en la cual las unidades más fundamentales de la materia, como los electrones y los quarks, se consideran entidades extremadamente diminutas, unidimensionales, similares a cuerdas, es un intento de tal teoría. Esto se ha desarrollado en la teoría M, en la que las cuerdas se pueden extender en "branas" bidimensionales y tridimensionales que flotan en un espacio dimensional superior, conocido como "bulto".

Además de los problemas involucrados en traer la gravedad a la imagen, hay un problema con el Modelo Estándar en sí, conocido como el problema de la jerarquía. En pocas palabras, el problema de la jerarquía se centra en por qué la fuerza gravitacional es enormemente más débil que las otras fuerzas de la naturaleza, pero también implica valores predichos para las masas de algunas partículas hipotéticas portadoras de fuerza que difieren enormemente entre sí. Se predice que una partícula hipotética en particular, la partícula de Higgs, es relativamente ligera, mientras que parece que las contribuciones cuánticas de las partículas virtuales deben hacerla enormemente más masiva, al menos sin un grado extraordinario de ajuste. Esto es considerado extremadamente improbable por la mayoría de los físicos, por lo que se busca algún principio subyacente para explicar las disparidades.

La teoría de la supersimetría (SUSY) proporciona una posible explicación. Esto establece que por cada fermión, o partícula que forma materia, hay un bosón, o partícula portadora de fuerza, y viceversa, de modo que cada partícula en el Modelo Estándar tiene una pareja supersimétrica o "supercompañero". Si no se ha observado, significa que la simetría está rota y que la supersimetría solo existe a energías muy altas. Según esta teoría, el problema de la jerarquía se resuelve por el hecho de que las contribuciones en masa de las partículas virtuales y sus supercompañeros se cancelan, eliminando las discrepancias aparentes en el Modelo Estándar. Sin embargo, hay un problema con la supersimetría.

La materia fundamental que forma partículas como los quarks viene en tres generaciones o "sabores", con diferentes masas. Cuando se rompe la supersimetría, parece que puede ocurrir una gran cantidad de interacciones, algunas de las cuales cambiarían los sabores de estas partículas. Dado que estas interacciones no se observan experimentalmente, cualquier teoría de ruptura de la supersimetría debe incluir de alguna manera un mecanismo que evite lo que se conoce como violaciones del sabor.

Aquí es donde entra el secuestro. Volviendo al concepto de branas tridimensionales que flotan en un volumen dimensional superior, es posible secuestrar la ruptura de la supersimetría en una brana separada de aquella en la que residen las partículas y las fuerzas del Modelo Estándar. Los efectos de ruptura de la supersimetría podrían comunicarse a la brana del Modelo Estándar mediante partículas portadoras de fuerza que pueden moverse dentro del bulto, pero de lo contrario, las partículas del Modelo Estándar se comportarían de la misma manera que en la supersimetría ininterrumpida. Las partículas en masa que podrían interactuar tanto con la brana que rompe la simetría como con la brana del modelo estándar determinarían qué interacciones pueden ocurrir y podrían excluir las interacciones que cambian el sabor que no observamos. La teoría funciona bien si el gravitón, la hipotética partícula portadora de fuerza de gravedad, desempeña este papel.

A diferencia de muchas otras ideas relacionadas con la teoría de cuerdas y la teoría M, parece posible probar la supersimetría secuestrada. Hace predicciones para las masas de los supercompañeros de los bosones (partículas portadoras de fuerza) que están dentro del rango de energías alcanzables por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Si el LHC observa estas partículas, sus masas pueden coincidir con lo que se predice. A partir de 2011, sin embargo, los experimentos en el LHC no han podido detectar a estos supercompañeros en las energías en las que se esperaba que aparecieran, un resultado que parece descartar la versión más simple de SUSY, aunque no algunas versiones más complejas. Incluso si se demuestra que SUSY está equivocado, la idea de secuestro puede tener aplicaciones útiles con respecto a otros problemas y misterios en física.