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.

Hipotéticas Elementales (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Hipotéticas Elementales

Las partículas hipotéticas son aquellas que se postulan teóricamente como posibles constituyentes fundamentales de la materia, pero que aún no han sido observadas experimentalmente. Estas partículas se proponen como parte de teorías físicas más allá del modelo estándar, en un esfuerzo por explicar fenómenos no explicados por las partículas conocidas o para resolver inconsistencias en la descripción actual de la naturaleza.

Algunos ejemplos de partículas hipotéticas incluyen:

Gravitón: Se postula como el quantum del campo gravitacional en la teoría cuántica de la gravedad, que aún no se ha desarrollado completamente. El gravitón se propone como el mediador de la fuerza gravitatoria y estaría asociado con la teoría de la gravedad cuántica.

Axión: Es una partícula hipotética propuesta para resolver problemas en la cromodinámica cuántica y la teoría de la supersimetría. El axión también ha sido propuesto como una posible explicación para la materia oscura.

Partículas supersimétricas (SUSY): En la teoría de la supersimetría, cada partícula conocida del modelo estándar tiene un compañero supersimétrico aún no observado. Estas partículas supersimétricas podrían resolver varios problemas teóricos, como la estabilidad de la jerarquía electrodébil y la unificación de las fuerzas fundamentales.

Partículas de Kaluza-Klein: En teorías de dimensiones adicionales, como la teoría de cuerdas y la teoría de Kaluza-Klein, se postulan partículas adicionales que surgen de la compactificación de las dimensiones extra. Estas partículas tienen una masa y cargas adicionales debidas a la geometría extra del espacio-tiempo.

Leptonquark: En teorías de gran unificación y teorías de ruptura de simetría extendida, se proponen partículas adicionales que relacionan los leptones y los quarks. Estas partículas podrían ayudar a explicar la simetría entre las familias de partículas y la naturaleza de la materia oscura.

Estos son solo algunos ejemplos de partículas hipotéticas que se han propuesto en la física teórica en un esfuerzo por comprender mejor la naturaleza fundamental de la materia y las fuerzas fundamentales.

Campos Fantasmas de Feddeev-Popov (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Campos Fantasmas de Feddeev-Popov

Los campos fantasmas (también llamados fantasmas de Faddeev–Popov) son campos auxiliares matemáticos introducidos en la formulación cuántica de teorías de gauge (como el modelo estándar o la QCD) para mantener la consistencia del cálculo al cuantizar campos con simetrías gauge.

Aunque se llaman "campos", no representan partículas físicas reales. No se detectan, no aparecen en estados finales. Son un artefacto matemático necesario para que el cálculo funcione.

Cuando se intenta cuantizar una teoría gauge, como el campo de Yang–Mills, se encuentra con un problema técnico:

la existencia de infinitas configuraciones equivalentes (debido a la simetría gauge).

Esto causa dos cosas:

• Las integrales funcionales (de camino) divergen porque están “sumando” muchas veces el mismo estado físico.
• Se introduce una condición de gauge (como la gauge de Lorenz, o la de Feynman) para eliminar la redundancia. Pero al hacer eso, se genera un determinante jacobiano no trivial en la integral de camino.

Faddeev y Popov (1967): mostraron que este determinante puede reescribirse como un integral funcional de nuevos campos, que resultan ser campos escalares anticomutativos ( los fantasmas.)

Resumen de Características:

• Son campos escalares: no tienen espín.
• Pero no conmutan como escalares normales: obedecen estadística fermiónica (anticomutan).
• Se representan típicamente como 

donde 𝑎 es un índice del grupo gauge (como SU(3)).

• Sólo aparecen en bucles internos de diagramas de Feynman, nunca como partículas externas.

Estos campos 

• Cancelan contribuciones no físicas en diagramas de Feynman.
• Aseguran la unitariedad y renormalizabilidad de la teoría gauge.
• Sin ellos, las teorías no abelianas como la QCD no podrían ser tratadas cuánticamente de forma consistente.

Campos Fantasmas (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Campos Fantasmas

El término "campos fantasmas" en física cuántica se refiere a campos adicionales que aparecen en ciertas teorías cuánticas de campos, particularmente en el contexto de la renormalización en teorías gauge, como la cromodinámica cuántica (QCD) y la teoría electrodébil.

En estas teorías, los campos fantasmas no corresponden a partículas físicas observables en el sentido tradicional, sino que son campos matemáticos que se introducen en el formalismo de la teoría para manejar ciertos aspectos técnicos de los cálculos. Los campos fantasmas se utilizan para cancelar términos divergentes que surgen durante el proceso de renormalización, que es una técnica empleada para tratar con infinidad de divergencias que aparecen en la teoría cuántica de campos.

La introducción de campos fantasmas es una herramienta poderosa para permitir que las teorías gauge sean consistentes matemáticamente y para hacer predicciones cuantitativas que se puedan comparar con los experimentos. Sin embargo, es importante destacar que los campos fantasmas no tienen una interpretación física directa y no representan partículas reales del universo observado.

Por lo tanto, aunque el término "campos fantasmas" pueda sonar intrigante, en realidad se refiere a un aspecto técnico y matemático de ciertas teorías cuánticas de campos, más que a entidades físicas observables. Su papel es fundamentalmente matemático y teórico en la construcción de las teorías cuánticas de campos modernas.

 

Bosón de Higgs (Zoológico de Partículas Subatómicas)

Bosón de Higgs

El bosón de Higgs es un bosón escalar y una manifestación del campo de Higgs, un campo invisible que permea todo el universo. Es una partícula fundamental propuesta por el modelo estándar de la física de partículas, cuya existencia fue recientemente confirmada experimentalmente en 2012 por los experimentos ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Es el principal factor que da el valor a la masa de la materia en el Universo.

Características del bosón de Higgs:

• Es un bosón escalar, es decir, una partícula con espín 0.

• Su masa es de aproximadamente 125 GeV/c².

• No tiene ni color ni carga y por lo mismo no interactúa con Gluones y Fotones.

• Es inestable y decae rápidamente en otras partículas.

• Explica cómo las partículas adquieren masa. Según el modelo estándar, las partículas fundamentales no tendrían masa si no interactuaran con este campo. Cuanto más interactúan con él, mayor es su masa. 

Por ejemplo: 

El fotón no interactúa con el campo de Higgs, por eso no tiene masa.

El bosón W y el bosón Z, que median la fuerza débil, interactúan fuertemente con el campo y son bastante masivos.