¿Cuál es la explicación de la teoría del campo cuántico de los 16 campos diferentes?

La teoría de campo cuántico (QFT) es un marco. Una realización especial de QFT, el Modelo Estándar, de hecho tiene 12 campos de “materia” y 4 campos de “fuerza”. Este es un hecho que debe explicarse a mano, no hay razón para que sea así, aparte del hecho de que los experimentos han demostrado que es así. El modelo estándar ha tenido un enorme éxito en el cálculo de observables con una precisión muy alta y, en términos generales, “describe toda la física” hasta escalas de energía LHC.

Sin embargo, el hecho es que tener que poner el número de campos a mano es algo insatisfactorio. Además, si calcula ciertos observables con grados de precisión ridículos, entonces hay una discrepancia no despreciable. Un ejemplo es el momento magnético anómalo del muón, donde la predicción teórica de 9 cifras significativas está desactivada por 3.4 desviaciones estándar. Podría significar (a) que las estimaciones de error son demasiado optimistas o no están completamente bajo control o (b) hay una física más allá del Modelo Estándar que está funcionando aquí. La segunda opción es, por supuesto, más emocionante.

Estos son los dos tipos de razones (a saber, estéticas y pragmáticas) por las cuales las personas estudian extensiones al Modelo Estándar. Una de esas extensiones es el Modelo Estándar Supersimétrico Mínimo (MSSM). El modelo estándar tiene un desequilibrio obvio cuando se trata de la cantidad de fermiones (campos de “materia”) y bosones (campos de “fuerza” + Higgs). Una forma de abordar esto es forzar a su teoría a tener una simetría interna que convierta a Fermions en bosones y viceversa. Este es un nuevo tipo de simetría que no está presente en el Modelo Estándar. Allí, tienes conjuntos de Fermiones y Bosones, y las simetrías solo relacionan Bosones con otros Bosones, y Fermiones con otros Fermiones. El resultado de esto es que, en una teoría supersimétrica, cada bosón debe tener un compañero fermiónico y viceversa. Todo lo relacionado con la supersimetría recibe el prefijo “super”, de ahí el nombre de supercompañero.

La razón por la que uno tiene que trabajar con “extensiones” es porque el Modelo Estándar ha demostrado ser exitoso en * muchos * escenarios, por lo que cualquier teoría de reemplazo todavía tiene que hacer las mismas predicciones en dichos escenarios que el Modelo Estándar en sí. Por lo tanto, el MSSM debe tener el contenido de campo del Modelo estándar, además de los supercompañeros necesarios para garantizar la supersimetría. Desafortunadamente, nadie ha observado estos supercompañeros todavía. La razón es que estos supercompañeros son partículas extremadamente pesadas, y para crearlos en algún proceso de LHC, digamos algún tipo de colisión protón-protón o aniquilación de electrones-positrones, la energía del proceso tiene que ser proporcionalmente alta (al menos dos veces más alto debido a la cinemática). En realidad, la razón es al revés: sabemos que los supercompañeros son pesados, porque si no lo fueran, ¡ya los habríamos visto! Aquí hay un experimento mental: no hay forma de saber si el “selectrón” (Boson) es el supercompañero del electrón (Fermion), o al revés. Al darse cuenta de la teoría en un universo diferente, los físicos podrían preguntarse si hay tantos Bosones (es decir, los sleptons y squarks, etc.) y tan pocos Fermions (los supercompañeros de los bosones de calibre). Por supuesto, sería un universo muy diferente (tan diferente que tal vez los seres inteligentes inteligentes no tendrían nada en común con lo que imaginamos que sean), pero vale la pena especular (¡pero solo en tu tiempo libre o bajo la ducha!) cómo sería un mundo con una jerarquía de masas invertida .

Por supuesto, el MSSM todavía deja muchas preguntas abiertas (y posiblemente crea algunas nuevas también), pero tiene más simetría interna o “lógica” que el Modelo Estándar. Este es un patrón general. Antes del Modelo Estándar, existía el zoológico de partículas (como Willis Lamb, el Premio Nobel de Física dijo una vez: “El buscador de una nueva partícula elemental solía ser recompensado con un Premio Nobel, pero ese descubrimiento ahora debería ser castigado por un 10,000 dólares de multa “). Al sondear a energías más altas (principalmente gracias a colisionadores más grandes), se encontraron nuevas simetrías internas, lo que condujo al Modelo Estándar. El siguiente paso podría ser el MSSM, podría ser una extensión no mínima del Modelo Estándar, o algo completamente diferente (probablemente después de que las extensiones supersimétricas hayan sido falsificadas). El conocimiento sobre física fundamental es un poco como pelar una cebolla (posiblemente de capas infinitas): resolver las preguntas (es decir, “pelar”) de una capa le permite comprender todo mejor, pero le esperan más preguntas en la siguiente capa.

Simple: no hay explicación, o al menos no hay explicación que sea universalmente convincente. Sabemos que hay 3 generaciones de fermiones (los campos de “materia”), pero no está claro por qué no había 2 o 4. Sabemos que hay cuatro fuerzas fundamentales, pero no sabemos por qué eso tuvo que sea ​​el caso. Es fácil escribir teorías con 4 generaciones y fuerzas diferentes, pero no son las que observamos. Estas preguntas se consideran, si no me equivoco, es relativamente imposible responder en esta etapa.