Supersimetría para niños
En la física de partículas, la supersimetría es una idea teórica que propone una relación especial entre dos tipos de partículas: los bosones y los fermiones. También se le conoce por el nombre corto SUSY. Si la supersimetría fuera real, cada bosón tendría un "compañero supersimétrico" que sería un fermión, y cada fermión tendría un compañero bosón.
Aunque los científicos aún no han confirmado la supersimetría con experimentos, es muy interesante para los físicos teóricos. Podría ayudar a resolver algunos misterios de la física, como el "problema de la jerarquía", y también podría explicar qué es la materia oscura.
La supersimetría es una parte clave de muchas teorías importantes, como la teoría de supercuerdas, que es una idea más avanzada de la teoría de cuerdas.
Contenido
¿Qué es la Supersimetría?
Según el modelo estándar de la física de partículas, que es como un "manual" de las partículas más pequeñas, la materia está hecha de fermiones (como los quarks y los leptones). Los bosones son las partículas que transmiten las fuerzas de la naturaleza, como la luz (que es un fotón).
La supersimetría propone que hay más partículas de las que conocemos en el Modelo Estándar. Cada partícula conocida tendría una compañera supersimétrica o súper compañera.
- Si una partícula es un bosón, su súper compañera sería un fermión.
- Si una partícula es un fermión, su súper compañera sería un bosón.
Las súper compañeras de los fermiones suelen tener nombres que empiezan con "s". Por ejemplo, el electrón tendría un selectrón, y los quarks tendrían squarks.
Las súper compañeras de los bosones suelen terminar en "-ino". Así, el fotón tendría un fotino, y el gluón (que transmite la fuerza fuerte) tendría un gluino. Si se incluyera la gravedad, el gravitón tendría un gravitino.
¿Por qué no hemos visto estas partículas?
Como los científicos aún no han podido crear estas "súper compañeras" en los laboratorios, se cree que sus masas deben ser mucho más grandes que las de las partículas normales. Esto significa que, si la supersimetría existe, está "rota" de alguna manera. Es decir, no se manifiesta de forma perfecta en nuestro universo.
Algunas partículas supersimétricas, como el neutralino, podrían ser la clave para entender la materia oscura. La materia oscura es una sustancia misteriosa que no podemos ver, pero que parece formar una gran parte del universo.
La supersimetría es muy popular en la física teórica porque podría responder a muchas preguntas sobre el universo. Sin embargo, a pesar de lo prometedora que es, todavía no hay pruebas experimentales de que exista en la naturaleza.
Modelos y Experimentos de Supersimetría
El Modelo de Wess-Zumino
El primer modelo de supersimetría en la física de partículas fue presentado en 1973 por Julius Wess y Bruno Zumino. Este modelo, llamado modelo de Wess-Zumino, es muy sencillo. Solo tiene un fermión y su súper compañero bosón. Aunque no es un modelo completo de la naturaleza, ayuda a los científicos a entender cómo funcionan los modelos supersimétricos.
El Modelo Estándar Supersimétrico Mínimo (MSSM)
El primer modelo supersimétrico que era compatible con el Modelo Estándar de la física de partículas se llamó modelo mínimo estándar supersimétrico (MSSM). Fue propuesto en 1981 por Howard Georgi y Savas Dimopoulos.
Según el MSSM, las súper compañeras de las partículas podrían tener masas que se podrían detectar en el gran colisionador de hadrones (LHC). El LHC es un enorme acelerador de partículas que se terminó de construir en 2008 en la frontera entre Francia y Suiza. Los científicos esperaban usar el LHC para encontrar estas súper compañeras.
Supersimetría y el LHC
Hasta ahora, las mediciones en el LHC no han encontrado ninguna señal de las partículas que predice la supersimetría. Esto ha sido un desafío para la teoría. Aunque no la descarta por completo, sugiere que los modelos actuales podrían necesitar ajustes. Los científicos siguen buscando, ya que los datos no son definitivos.
Aplicaciones de la Supersimetría
La supersimetría no solo se estudia en la física de partículas, sino que también tiene aplicaciones en otras áreas de la ciencia.
Mecánica Cuántica Supersimétrica
La mecánica cuántica supersimétrica aplica las ideas de SUSY a la mecánica cuántica. Es útil para estudiar cómo se comportan ciertas partículas especiales llamadas solitones. En esta área, se ha avanzado mucho porque los cálculos son más sencillos.
Esta mecánica cuántica SUSY relaciona pares de "hamiltonianos" (que describen la energía de un sistema). Un teorema dice que si un hamiltoniano tiene un estado de energía, su compañero supersimétrico tiene un estado con la misma energía. Esto es similar a la idea original de SUSY, donde bosones y fermiones tienen la misma energía.
En el mundo de las finanzas
En 2021, las ideas de la mecánica cuántica supersimétrica se empezaron a usar para analizar mercados y valorar opciones en el campo de las finanzas.
Supersimetría en la Teoría Cuántica de Campos
En la teoría cuántica de campos, la supersimetría ayuda a resolver varios problemas teóricos y asegura que las teorías se comportan bien a energías muy altas. Las teorías cuánticas de campos con supersimetría son a menudo más fáciles de analizar matemáticamente.
Si la supersimetría se aplica de una manera específica (como una simetría "local"), la relatividad general de Einstein se incluye automáticamente, dando lugar a una teoría llamada supergravedad.
Supersimetría en la Física de la Materia Condensada
Los conceptos de SUSY también se han aplicado en la física de la materia condensada, que estudia las propiedades de los materiales. Por ejemplo, se ha usado para entender sistemas desordenados y la ecuación de Fokker-Planck. En 2021, se propuso que la supersimetría podría existir en el borde de un estado especial llamado efecto Hall cuántico. En 2022, se simuló en computadoras un tipo de supersimetría en átomos en una dimensión.
Supersimetría en la Óptica
En 2013, se descubrió que la óptica integrada (el estudio de la luz en pequeños circuitos) es un buen lugar para explorar algunas ideas de SUSY. Al usar la relación matemática entre la ecuación de Schrödinger (de la mecánica cuántica) y la ecuación de onda (de la luz), se pueden diseñar nuevas estructuras ópticas. Esto podría tener aplicaciones en cómo se controla la luz.
Supersimetría en Sistemas Dinámicos
Las ecuaciones que describen cómo cambian los sistemas dinámicos (como el clima o el movimiento de los planetas) también tienen una supersimetría especial llamada supersimetría topológica. Esta supersimetría significa que los puntos muy cercanos en un sistema seguirán estando cerca a lo largo del tiempo, incluso con ruido.
Cuando esta supersimetría topológica se "rompe", significa que los puntos cercanos pueden separarse mucho con el tiempo. Esto se relaciona con fenómenos como el efecto mariposa, el caos y la turbulencia.
Supersimetría en las Matemáticas
La supersimetría también se estudia en las matemáticas por sus propias propiedades. Describe campos complejos que tienen una característica especial llamada "holomorfía", lo que permite hacer cálculos exactos. Esto hace que los modelos supersimétricos sean útiles para entender teorías más complejas.
Por ejemplo, la demostración del Teorema del índice de Atiyah-Singer se simplifica mucho usando la mecánica cuántica supersimétrica.
Supersimetría en la Teoría de Cuerdas
La supersimetría es una parte muy importante de la teoría de cuerdas, que es una idea que busca ser una "teoría del todo" para describir todas las fuerzas y partículas del universo. Hay dos tipos de teoría de cuerdas: la teoría de supercuerdas (que incluye supersimetría) y la teoría de cuerdas no supersimétrica.
En la teoría de supercuerdas, la supersimetría es necesaria. Incluso en algunas teorías de cuerdas no supersimétricas, se necesita un tipo de supersimetría para evitar la aparición de partículas inestables llamadas "taquiones".
A pesar de que el LHC no ha encontrado pruebas de supersimetría, algunos físicos de partículas siguen explorando cómo la teoría de cuerdas podría ayudar a resolver problemas en el Modelo Estándar.
Véase también
En inglés: Supersymmetry Facts for Kids
