Dilatón (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Dilatón

El dilatón es una partícula subatómica hipotética que aparece en varias teorías avanzadas de física teórica, como la teoría de cuerdas, la teoría de Kaluza-Klein y ciertos modelos de gravedad cuántica. 

El dilatón es un campo escalar y posee una hipotética partícula asociada que está vinculado a la escala o tamaño del universo (de ahí su nombre, del latín dilatare, “expandir”). A menudo controla la intensidad de las interacciones fundamentales (como la constante de acoplamiento de la fuerza fuerte o la gravedad).

En muchas teorías, aparece naturalmente al intentar unificar la gravedad con otras fuerzas fundamentales.

En términos simples:

• El dilatón es una partícula escalar que modula (ajusta) las constantes físicas que controlan las interacciones en el universo.

Fundamentos sobre la posible existencia del Dilatón

En teoría de cuerdas:

• El dilatón es una parte inevitable del espectro de vibraciones de las cuerdas. Está ligado al acoplamiento de cuerda, que determina la fuerza de las interacciones. Su valor esperado (VEV) afecta la intensidad de todas las interacciones.

En teorías de Kaluza-Klein:

• Al compactificar dimensiones extra, surge un campo escalar natural: el dilatón. Este campo describe cómo cambian las dimensiones extras con el tiempo o el espacio.

En teorías conformes o escalares:

• El dilatón puede emerger como el modo de oro de ruptura espontánea de simetría de escala. Es decir, aparece cuando una teoría que podría ser invariante bajo escalas (como cambiar el tamaño de todo) deja de serlo.

Propiedades típicas del dilatón

Posibles consecuencias si se comprobase la existencia del Dilatón:

• Unificación de fuerzas: El dilatón puede actuar como puente entre la gravedad y la cuántica, al aparecer naturalmente en teorías como la de cuerdas.
• Constantes físicas variables: Si el dilatón existe y cambia en el tiempo, podría explicar por qué las constantes físicas tienen los valores actuales (o si podrían variar).
• Cosmología y energía oscura: Algunos modelos lo relacionan con la energía oscura o con teorías de quintaesencia (campos que explican la aceleración del universo).
• Ruptura de simetría conforme: Si el universo fue inicialmente invariante bajo escalas (como tamaño o energía), el dilatón podría ser la señal de que esa simetría se rompió.

Posibles formas para detectarlo:

Si el dilatón tiene masa baja y se acopla débilmente, podría dejar señales en:

• Desviaciones de la gravedad newtoniana a escalas pequeñas.
• Variaciones temporales o espaciales de constantes físicas.
• Experimentos de alta precisión como relojes atómicos o colisionadores.

Neutrino Estéril (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Neutrino Estéril

Los neutrinos estériles son partículas subatómicas hipotéticas que no interactúa mediante ninguna de las fuerzas fundamentales conocidas, excepto la gravedad. A diferencia de los neutrinos "activos", no participa en la interacción débil.

El nombre "estéril" indica precisamente su falta de interacción con la materia ordinaria y otras fuerzas, excepto la gravitacional.

Diferencias entre los Neutrinos Activos y los Neutrinos Estériles

En el Modelo Estándar existen tres sabores de neutrinos activos:

• 𝜈𝑒 → neutrino electrónico
• 𝜈𝜇→ neutrino muónico
• 𝜈𝜏→ neutrino tauónico

Estos sí interactúan débilmente y han sido confirmados en numerosos experimentos.

El neutrino estéril, por contraste : 

• No contendría carga débil, por lo que no participa en reacciones nucleares ni en procesos como la desintegración beta.
• No puede detectarse directamente.
• Sólo se inferiría por su efecto sobre las oscilaciones de los neutrinos activos.

Los neutrinos activos cambian de tipo (sabores) en vuelo. Este fenómeno es llamado oscilación de neutrinos, y requiere que tengan masa. En algunos experimentos, se ha observado un exceso o déficit de neutrinos que no cuadra con solo tres tipos de neutrinos, para explicarlo, se propone que parte de ellos podrían oscilar hacia un neutrino estéril —es decir, desaparecer del radar experimental.

Razón por las que se ha propuesto la existencia de los Neutrinos Estériles

Anomalías experimentales:

• Experimentos como LSND, MiniBooNE, y algunos reactores nucleares han observado comportamientos anómalos. Estas anomalías podrían explicarse si existiera un cuarto tipo de neutrino: estéril.

Materia oscura:

• Algunas teorías sugieren que los neutrinos estériles masivos podrían formar parte de la materia oscura caliente o templada.

Extensiones del Modelo Estándar:

• Muchas teorías (como las de tipo See-Saw) predicen la existencia de neutrinos estériles para explicar por qué los neutrinos activos tienen masa tan pequeña.

Propiedades de los Neutrinos Estériles

Podría haber uno o varios neutrinos estériles. A veces se les llama 𝜈𝑠, y en modelos más complejos se les etiqueta como 𝜈4, 𝜈5, 𝜈6, etc., si hay más de tres sabores.

Inflatón (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Inflatón

El inflatón es una partícula (o campo escalar) hipotética que habría sido responsable de la inflación cósmica, una fase de expansión acelerada, extremadamente rápida, ocurrida una fracción de segundo después del Big Bang.

La inflación cósmica es una teoría que propone que, entre aproximadamente 10^−36 y 10^−32segundos después del Big Bang, el universo se expandió exponencialmente, resolviendo varios problemas del modelo del Big Bang, como:

• El problema del horizonte (¿por qué el universo es tan homogéneo?)
• El problema de la planitud (¿por qué el universo es geométricamente tan plano?)
• El problema de los monopolos (¿por qué no los observamos?)

La inflación necesita una fuente de energía negativa o "presión repulsiva" para hacer eso. Esa fuente es el campo inflatón.

En teoría cuántica de campos, el inflatón es un campo escalar (como el del bosón de Higgs). Las fluctuaciones cuánticas de ese campo se amplificaron y se convirtieron en las semillas de la estructura del universo. En su versión cuantizada, puede asociarse a partículas llamadas inflatones.

Mecanismo 

Al principio del universo, el inflatón se encontraba en una configuración de alta energía (potencial plano). Mientras "rueda" lentamente por su potencial, el universo sufre una expansión exponencial. Al llegar a un punto de "mínima energía", el campo oscila y decae, liberando su energía en forma de partículas.

A ese proceso se le llama recalentamiento, y marca el inicio del universo caliente (lo que llamamos el Big Bang tradicional). Mientras sus fluctuaciones cuánticas dejaron huellas en el fondo cósmico de microondas (CMB).

Características

Algunos modelos propuestos

• Inflación de campo lento (slow-roll).
• Inflación caótica (chaotic inflation).
• Inflación híbrida, etc.

En el fondo cósmico de microondas (CMB): las anisotropías observadas son consistentes con predicciones hechas usando el inflatón.

Curvatón (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Curvatón

Un curvatón es una partícula (o campo escalar) hipotética propuesta como una alternativa o complemento al inflatón para explicar el origen de las fluctuaciones de densidad que dieron lugar a la estructura del universo (galaxias, cúmulos, etc.).

El curvatón no causa la inflación, pero genera las perturbaciones cuánticas que sembraron la estructura del cosmos.

 

Durante la inflación cósmica (una fase de expansión acelerada del universo temprano), se cree que las fluctuaciones cuánticas del campo inflatón se ampliaron y se convirtieron en las semillas de las estructuras del universo, pero, algunos modelos de inflación no producen las fluctuaciones adecuadas o generan efectos no deseados (como violaciones del espectro observado). entonces, se propuso que otro campo escalar, diferente del inflatón, se encargase de producir esas fluctuaciones.

Ese campo se le denominó: el curvatón.

Mecanismo Propuesto

Durante la inflación, el curvatón es ligero y subdominante (no afecta la expansión). Aun así, fluctúa cuánticamente y genera perturbaciones isentrópicas (de entropía).

Después de la inflación, cuando el universo se enfría, el curvatón comienza a oscilar y a dominar temporalmente la energía del universo.

Finalmente, decae en radiación y convierte sus perturbaciones en perturbaciones de curvatura, que son las observadas en el fondo cósmico de microondas (CMB).

Características

En lenguaje moderno el curvatón es un campo escalar cuántico. Como todo campo cuántico, se puede asociar a partículas si se cuantifica. Por tanto, el curvatón puede considerarse como una partícula subatómica escalar.

La propuesta del Curvatón permite construir modelos de inflación más flexibles, donde el inflatón sólo controla la expansión. Además, puede generar no gaussianidades (desviaciones de la forma típica de las perturbaciones), que podrían ser observables en futuros experimentos. Y podría estar relacionado con campos de baja energía que sí podrían conectarse con la física de partículas más accesible.

Axión (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Axión

El axión es una partícula escalar neutra, extremadamente ligera y débilmente interactuante, propuesta originalmente para resolver el problema CP fuerte de la cromodinámica cuántica (QCD).

Es una partícula hipotética, aún no observada experimentalmente.

La QCD (teoría de los quarks y gluones) permite, en principio, una violación de la simetría CP (carga-paridad), lo cual significaría que la física no sería la misma para partículas que para antipartículas reflejadas.

Pero los experimentos dicen que la QCD no viola CP, o lo hace de forma extremadamente pequeña (por ejemplo, en el momento dipolar eléctrico del neutrón, que es casi cero).¿Entonces por qué la QCD no viola CP si matemáticamente puede hacerlo?

A esto se le conoce como el "problema CP fuerte".

Para resolver este problema se propuso una nueva simetría global (llamada simetría de Peccei–Quinn) que, al romperse espontáneamente, elimina naturalmente la violación CP en la QCD. Y para ello debería de existir una nueva partícula: el axión.

El nombre lo puso Frank Wilczek, inspirado por el detergente "AXION", porque la partícula "limpia" el problema CP.

Axiones y materia oscura

Debido a sus propiedades se ha propuesto que podrían ser parte de la materia oscura

• Son muy abundantes (según predicciones cosmológicas).
• No interactúan (casi) con luz ni materia normal.
• Son fríos (tienen poca energía cinética).

Esto los hace candidatos ideales para materia oscura.

Para poder probar su existencia se usan experimentos extremadamente sensibles, como:

• ADMX (Axion Dark Matter eXperiment): usa cavidades resonantes y campos magnéticos.
• CASPEr, MADMAX, ABRACADABRA, entre otros.

La idea es que los axiones pueden convertir muy débilmente su energía en fotones en presencia de campos magnéticos intensos.

 Tipos de modelos de axiones

Modelo original (Peccei–Quinn–Weinberg–Wilczek): descartado por masa demasiado grande.

Axiones invisibles:

• KSVZ model (Kim–Shifman–Vainshtein–Zakharov)
• DFSZ model (Dine–Fischler–Srednicki–Zhitnitsky)

Ambos producen axiones muy ligeros y débilmente acoplados.

Finalmente podemos decir que el axión es una partícula subatómica hipotética que resuelve el problema CP fuerte de la QCD y es un candidato para la materia oscura fría del universo. Aunque aún no ha sido detectado, su búsqueda es una de las más activas en física teórica y experimental hoy en día.

Otros Hipotéticos Elementales (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Otros Hipotéticos Elementales 

El Modelo Estándar (ME) describe las partículas y fuerzas fundamentales (excepto la gravedad). Es muy exitoso, pero no está completo, y algunas partículas se propusieron dentro del propio marco del modelo para resolver problemas teóricos o experimentales.

Partículas aún hipotéticas permitidas o requeridas por el ME (o extensiones mínimas)

Bosón de Higgs Hipotético por décadas (1964–2012)

• Propuesto para explicar cómo las partículas adquieren masa mediante el mecanismo de Higgs. Confirmado en el LHC (CERN) en 2012. Aunque ahora es real, fue la más famosa partícula hipotética del ME.

Neutrinos estériles (νₛ)

• Fermiones neutros que no interactúan vía fuerza débil, sólo por gravedad.

• Propuestos para explicar:

  • Anomalías en oscilaciones.

  • Masa de los neutrinos.

  • Candidatos a materia oscura.

Axiones (a)

• Bosones pseudoescalares ultraligeros.

• Introducidos para resolver el problema CP fuerte en QCD (por Peccei-Quinn).

• Compatibles con el ME si se incluye el mecanismo PQ como extensión.

Partículas mediadoras de nuevas simetrías gauge (Z′, W′)

• Bosones vectoriales neutros (Z′) o cargados (W′).

• Aparecen en extensiones gauge del ME (como SU(2)×SU(2), U(1)′).

• Se consideran extensiones "naturales", no radicales como SUSY.

Monopolos magnéticos

• Soluciones topológicas de teorías gauge (no partículas en sentido tradicional).

• Aparecen en teorías de gran unificación (pero también posibles en QED extendida).

• No forman parte explícita del ME, pero no son incompatibles con su estructura.

Partículas esperadas en el Modelo Estándar

Partículas descartadas por el momento en el Modelo Estándar

Tabla Resumen Final de partículas hipotéticas en el Modelo Estándar

Chargino (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Chargino

El chargino es una partícula elemental hipotética predicha por la supersimetría (SUSY), una teoría que extiende el Modelo Estándar. A diferencia del neutralino, que es neutro, el chargino tiene carga eléctrica ±1, de ahí su nombre: charged + ino.

Los charginos más detalladamente son mezclas cuánticas de los supercompañeros cargados del Modelo Estándar:

Supercompañero SUSY	De qué partícula viene	Notación
Wino± (𝜓̃W⁺/⁻)	Bosones W⁺/W⁻	𝜓̃W⁺, 𝜓̃W⁻
Higgsino± (𝜓̃H⁺/⁻)	Componentes cargadas del Higgs	𝜓̃H⁺, 𝜓̃H⁻

Al combinarse, forman dos estados físicos:

• Chargino 1: 𝜒̃₁⁺ / 𝜒̃₁⁻ → el más ligero

• Chargino 2: 𝜒̃₂⁺ / 𝜒̃₂⁻ → más pesado

Propiedades del chargino

Propiedad	Valor/Comentario
Espín	½ (fermión)
Carga eléctrica	±1
Interacción	Electromagnética, débil y gravitacional
Estabilidad	Inestable en general (se desintegra)
Masa	Desconocida (depende del modelo, típicamente > 100 GeV)

Importancia del Chargino

Clave en modelos SUSY

• Los charginos son signos distintivos de supersimetría.

• Aparecen en muchas reacciones teóricas en colisionadores (como en el LHC).

Cadenas de decaimiento hacia materia oscura

• El chargino puede decaer en el neutralino más ligero (𝜒̃₁⁰), que es candidato a materia oscura.

Neutralino (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Neutralino

El neutralino es una partícula elemental hipotética predicha por la teoría de la supersimetría (SUSY). Es un fermión neutro (carga eléctrica 0) con espín ½, que no forma parte del Modelo Estándar, pero sí de sus extensiones supersimétricas más comunes, como el Modelo Supersimétrico Mínimo (MSSM).

Exactamente el neutralino no es una partícula única, sino una mezcla cuántica (una combinación lineal) de varios supercompañeros neutros:

Componente SUSY	Supercompañero de...	Notación
Fotino (𝜓̃γ)	Fotón	𝜓̃γ
Zino (𝜓̃Z)	Bosón Z	𝜓̃Z
Higgsino neutro	Higgs neutral	𝜓̃H₁⁰, 𝜓̃H₂⁰

De la mezcla de estas cuatro se forman cuatro estados físicos:

• Neutralino 1 (𝜒̃₁⁰) → el más ligero

• Neutralino 2 (𝜒̃₂⁰)

• Neutralino 3 (𝜒̃₃⁰)

• Neutralino 4 (𝜒̃₄⁰)

El subíndice indica el orden por masa: 𝜒̃₁⁰ es el más liviano y suele ser estable.

 

Propiedades del neutralino

Propiedad	Valor/Comentario
Espín	½ (fermión)
Carga eléctrica	0 (neutro)
Interacción	Débil y gravitacional
Estabilidad	El más ligero (𝜒̃₁⁰) puede ser estable si se conserva la paridad R
Masa	Depende del modelo; puede ser de decenas a miles de GeV

Importancia del Neutralino

Candidato a materia oscura

• El neutralino más ligero (𝜒̃₁⁰) es un excelente candidato a materia oscura fría (WIMP).

• Es neutro, estable, masivo y débilmente interactuante, justo lo que se necesita para explicar la materia oscura en el universo.

Búsqueda en colisionadores y experimentos directos

• Se busca en el LHC y en experimentos de detección directa como XENON, LUX, PandaX.

• Aún no ha sido observado, pero sigue siendo una posibilidad muy seria.

 

Otros Supersimétricos (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Otros Supersimétricos

Además de los Gauginos, existe otro tipo de partículas supersimétricas teorizadas.

Estas partículas tienen espín 0, por lo que son bosones escalares.

Sfermiones: 

• Son las supercompañeras bosónicas de los fermiones del Modelo Estándar (quarks y leptones). El nombre es una fusión de "scalar" + "fermion".

• Ejemplos:

  • Selectrón (𝜓̃e): supercompañera del electrón

  • Smuón (𝜓̃μ): del muón

  • Stau (𝜓̃τ): del tau

  • Sneutrino (𝜙̃ν): del Neutrino, muy difícil de detectar; neutros y ligeros.

  • Squarks (𝜓̃u, 𝜓̃d, etc.): supercompañeros de quarks (u,d,s,c,b,t)

• Propiedades:

  • Tipo: Bosones escalares (espín 0)

  • Carga: Igual que su compañero fermión

  • Muy inestables en la mayoría de modelos

Higgsinos:

• Son las supercompañeras del bosón de Higgs. Como el modelo supersimétrico requiere al menos dos dobles de Higgs (uno para masas de tipo arriba y otro para abajo), hay varios Higgsinos.

• Propiedades:

  • Tipo: Fermiones (espín ½)

  • Carga: Pueden ser neutros o cargados

  • Se combinan con gauginos para formar:

    • Neutralinos (neutros)

    • Charginos (cargados)

Neutralinos: combinaciones lineales de fotino, zino y neutralinos Higgsinos. Son neutros, estables en muchos modelos y candidatos a materia oscura.

Charginos: combinaciones de winos cargados y Higgsinos cargados.

Gluino, Gravitino, Fotino, Wino y Zino (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Gluino, Gravitino, Fotino, Wino y Zino

Estas partículas supersimétricas no han sido observadas experimentalmente (hasta ahora), pero son importantes en teorías como la teoría de cuerdas y modelos de materia oscura.

Características de cada partícula

Estas partículas no se han detectado aún, pero su estudio sigue siendo activo porque:

• Podrían explicar la materia oscura.
• Harían más simétrica y completa la física de partículas.
• Son naturales en extensiones como la teoría de cuerdas y supergravedad.

Gauginos (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Gauginos

Los gauginos son partículas hipotéticas propuestas por la supersimetría, que serían los supercompañeros fermiónicos (espín ½) de los bosones gauge del modelo estándar (que tienen espín 1).

Gaugino = Supercompañeros del bosón de gauge.

Características

La supersimetría extiende el modelo estándar postulando que cada partícula tiene un compañero supersimétrico :

Partícula del SM	Tipo (espín)	Compañero SUSY	Tipo (espín)
Electrón	Fermión (½)	Selectrón	Bosón (0)
Gluón	Bosón (1)	Gluino	Fermión (½)
W, Z, fotón	Bosones (1)	Wino, Zino, Fotino	Fermiones (½)

Entonces, los gauginos son fermiones asociados a los campos gauge del SM.

Tabla detallada

Gaugino	Supercompañero de...	Asociado al grupo gauge
Gluino ($\tilde{g}$)	Gluón	SU(3)$_C$ (QCD)
Wino ($\tilde{W}^\pm, \tilde{W}^0$)	Bosón W	SU(2)$_L$
Zino ($\tilde{Z}$)	Bosón Z	Mezcla neutral
Fotino ($\tilde{\gamma}$)	Fotón	U(1)$_Y$ (hipercarga)

En muchos modelos supersimétricos, como el MSSM (Modelo Mínimamente Supersimétrico), estos gauginos pueden mezclarse entre sí, formando nuevas partículas llamadas:

• Neutralinos (mezcla neutra de Zino, Fotino, Higgsinos).

• Carguinos (mezcla cargada de Winos y Higgsinos).

• Gravitino (también se postularía la existencia de un supercompañero del hipotético Gravitón)

Resumen de Características Generales de los Gauginos

Propiedad	Valor hipotético
Espín	½ (son fermiones)
Masa	No se conoce (la SUSY debe romperse)
Carga	Varía según el bosón asociado
Detectados?	❌ No (hasta ahora, en ningún experimento)
Importancia	Posibles candidatos a materia oscura (como el neutralino más ligero)

Objetivo de postular su existencia

• SUSY soluciona varios problemas del modelo estándar, como:

  • El problema de jerarquía (relacionado con la masa del bosón de Higgs).

  • La unificación de acoplamientos de fuerzas.

  • La existencia de un candidato natural para la materia oscura.

• Gauginos son esenciales en ese marco:

  • El gluino afecta la física de colisionadores.

  • El neutralino más ligero podría ser estable y neutro, ideal para materia oscura.

• No se ha detectado ningún gaugino hasta ahora, ni en el LHC ni en otros experimentos.

• Si existen, la supersimetría debe estar rota, es decir, los gauginos tendrían masas mucho mayores que sus compañeros del modelo estándar.

Hipotéticas Elementales Supersimétricas (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Hipotéticas Elementales Supersimétricas

La supersimetría es una simetría teórica entre partículas fermiónicas (como quarks y leptones) y partículas bosónicas (como fotones, bosones W y Z, etc.). Propone que cada partícula conocida tiene una "superpareja" con una diferencia de espín de ± 1/2, lo que implica que los bosones tendrían compañeros fermiónicos y los fermiones compañeros bosónicos.

Las partículas supersimétricas, abreviadas como SUSY (del inglés "Supersymmetry"), son una propuesta teórica en la física de partículas que sugiere la existencia de compañeros supersimétricos aún no observados para todas las partículas conocidas en el modelo estándar de la física de partículas. En otras palabras, para cada partícula del modelo estándar (fermiones y bosones), existe una partícula supersimétrica.

La supersimetría fue propuesta originalmente para abordar varias cuestiones no resueltas en el modelo estándar, como la estabilidad de la jerarquía electrodébil, la unificación de las interacciones fundamentales y la naturaleza de la materia oscura. Al introducir partículas supersimétricas, se espera que se cancelen ciertas divergencias en los cálculos y se resuelvan problemas teóricos.

Sin embargo, hasta la fecha, no se han observado experimentalmente las partículas supersimétricas. Esto ha llevado a restricciones cada vez más estrictas sobre las masas y las propiedades de estas partículas, y ha generado interés en experimentos de alta energía, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, para buscar evidencia de la supersimetría.