Supersimetría y átomos ultrafríos.

Una nueva propuesta de usar una mezcla de átomos ultrafríos para estudiar la supersimetría —

Con el cálculo que una excitación “similar a la Goldstino” debería tener lugar en las mezclas de bosones y fermiones como resultado de la ruptura de la simetría. Aunque los investigaciones admiten que no es posible actualmente detectar la excitación, creen que los avances en los experimentos con átomos ultrafríos podrían hacer posible estudiar la supersimetría en mezclas atómicas.

Súper-compañeros para todo.

Todas las partículas subatómicas conocidas son fermiones (con valores de espín semientero) o bosones (con valores enteros). Por alguna razón parece haber más tipos de fermiones en el universo que de bosones. Esto no sienta bien a algunos físicos que creen que el universo debería poseer una supersimetría, en la cual cada fermión tiene un “súper-compañero” correspondiente que es un bosón — y viceversa. Una atractiva consecuencia de la supersimetría es que podría ayudar a unificar las fuerzas nuclear fuerte y electrodébil de la naturaleza en una fuerza “electrofuerte” — algo que los físicos no hemos logrado conseguir en décadas.

Aunque nunca hemos visto en realidad un súpercompañero, algunos tenemos esperanzas en que podrían revelarse por sí mismos en las colisiones de alta energía que pronto serán posibles en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

Rompiendo la supersimetría.

Los átomos son también bosones o fermiones — y esto me ha inspirado para proponer una forma de usar mezclas de ambos tipos de átomos para simular cómo se rompe la supersimetría (Phys Rev Lett 100 090579). Comenzamos con ecuaciones que describen un sistema que contiene grandes números de un tipo de fermión y un tipo de bosón. La supersimetría se introduce usando operadores matemáticos que convierten un fermión en un bosón y viceversa.

Calculando que el menor estado de energía de tal sistema no contiene fermiones o exactamente un fermión — en otras palabras, hay una ruptura espontánea de la supersimetría que transforma casi todos los fermiones en bosones.

Esto tiene lugar debido que todos los bosones de la mezcla son capaces de ocupar los estados de energía cuántica más bajos, mientras que la mecánica cuántica sólo permite un fermión por estado – forzando a los fermiones a ocupar estados de energía más altos. Como resultado, la energía del sistema se incrementa si un bosón se convierte en un fermión, pero decrece si ocurre lo contrario.

Potencial químico.

También se estudiaron un sistema más complejo en el cual una se introdujo una “diferencia de potencial químico” para desplazar la tendencia hacia los bosones, lo cual hizo más favorable energéticamente la existencia de más de un fermión.

En ambos casos fueron capaces de demostrar que la ruptura de la simetría llevó a una excitación colectiva del sistema conocida como modo Goldstone. Esta excitación se comporta igual que una partícula de fermión, que es conocida como “Goldstino”. Se espera que surja un Goldstino similar en la física de partículas como resultado de la ruptura de la supersimetría.

Cota brusca.

Hemos calculado que el Goldstino debería aparecer en una cota brusca en el espectro de energía de un único fermión que está mezclado con un gran número de bosones – algo que en principio podría verse en un conjunto de átomos ultrafríos que están en una trampa óptica.
Esperemos que la cota podría identificarse porque se mantendrían afilado en temperaturas por encima del cero absoluto, al contrario que otras características en el espectro de energía que se ensancharían con el incremento de la temperatura.

Aunque actualmente no hay forma de observar el espectro de energía de un único fermión en un gas bosónico frío, el equipo espera que nuevas técnicas como la espectroscopía Raman estimulada puedan usarse en el futuro para detectar Goldstinos.

Aunque hemos demostrado que pude ser posible simular los efectos de la ruptura de supersimetría en un gas atómico frío, debemos advertir que tales analogías de forma son demasiadas literales. Que son posibles varios tipos de supersimetrías “Por lo que el tipo de supersimetría que pueda manifestarse en el la propia física de materia condensada no es necesariamente el mismo que en la física de partículas”.

Incluso si los átomos fríos tienen la misma supersimetría que la que creemos que desempeña un papel en la física de partículas, comprender los átomos fríos puede que no necesariamente arroje luz sobre las cuestiones de la física de partículas.

Adolfocanals@educ.ar