jueves, 7 de enero de 2016

Un megaxión a 750 GeV predicho por la teoría de cuerdas

Dibujo20160101 quarks and leptons at intersecting branes 750 gev luis ibanez arxiv org

El paradigma de la teoría de cuerdas permite explicar la resonancia a 750 GeV observada por ATLAS y CMS de varias formas. Un megaxión es la propuesta de los españoles Luis Ibáñez y Víctor Martín-Lozano, ambos del IFT UAM/CSIC. Este axión de gran masa es predicho por la teoría de cuerdas a baja energía. Las búsquedas fallidas en el LHC excluyen una energía (Ms) para la escala de la cuerda inferior a 7 TeV. 
El nuevo megaxión es una predicción compatible con valores de Ms ∼ 7 TeV–10 PeV, un amplio rango que depende de la compactificación que se elija para las dimensiones extra.
Como la mayoría de las propuestas en el paradigma de la teoría cuántica de campos, la nueva partícula debe estar acompañada de otras. El megaxión es un bosón pseudoescalar de tipo axión que se acopla a los gluones y a los fotones, pero no a los bosones W, por ello debe estar acompañado de un nuevo bosón Z’ (Z prima) con una masa inferior a Ms. Las búsquedas fallidas en el LHC excluyen un bosón Z’ con masa inferior a 1,5 TeV–3,0 TeV, según el modo de desintegración. Por tanto, hay hueco para un Z’ con masa inferior a 7 TeV que podría descubrir el LHC Run 2.
Por supuesto, hay otras propuestas en el paradigma de la teoría de cuerdas para explicar la nueva resonancia. Destaco esta concreta por sesgos puramente personales. El artículo es Luis E. Ibáñez, Víctor Martín-Lozano, “A Megaxion at 750 GeV as a First Hint of Low Scale String Theory,” arXiv:1512.08777 [hep-ph]. Puedes consultar otras propuestas en Luboš Motl, “Diphoton resonance from D3-branes or closed strings,” The Reference Frame, 29 Dec 2015.
PS [02 Ene 2015]: Comenta César Tomé (@EDocet) en Twitter que “Donde dice ‘paradigma’ [mal] léase ‘contexto’. El paradigma (DRAE-2) de la teoría de cuerdas NO es un paradigma, por definición de paradigma (Kuhn). Sí es un paradigma (DRAE-1) de abuso”. Entre mis propósitos para 2016, a corto plazo, está escribir una entrada sobre qué quiero decir cuando hablo de paradigma en esta entrada y en el contexto de las ideas de Kuhn y prosélitos.
Dibujo20160101 central value of the cross section of the excess at 750 gev luis ibanez arxiv org
Ibáñez y Martín-Lozano construyen un modelo para la resonancia a 750 GeV asumiendo que su anchura es inferior, pero similar, a 45 GeV (valor preferido por ATLAS, ya que CMS prefiere una anchura inferior). Un bosón pseudoescalar tipo axión producido por la fusión de gluones podría escapar a su detección en las colisiones a 8 TeV c.m. de 2012 siempre que se acople a gluones y fotones, pero no a los bosones W. Para ello recurren a un axión monodrómico (monodromy axion) a_0 con una masa m_{a_0}, similar a los predichos en los modelos inflacionarios monodrómicos basados en cuerdas.
No quiero entrar en los detalles del lagrangiano efectivo para el axión acoplado a gluones y fotones con constantes g_g y g_\gamma. 
El potencial del axión se genera vía instantones, siendo periódico bajo la transformación a_0{\to}a_0+2\pi\,f. 
Esta figura muestra los límites de exclusión actuales en el plano (f/g_\gamma,f/g_g). 
La banda verde y amarilla muestra los valores permitidos para el megaxión.
Lo más importante es la estimación de la anchura de la nueva resonancia. En símbolos tendríamos
\displaystyle\sigma(pp{\to}a_0{\to}\gamma\gamma)=\frac{C_{gg}}{\Gamma_{a_0}m_{a_0}s}\Gamma(a_0{\to}gg)\Gamma(a_0{\to}\gamma\gamma),
donde para colisiones a 13 TeV c.m. se tiene C_{gg}=2137 y además
\displaystyle\Gamma(a_0{\to}\gamma\gamma)=\kappa_\gamma^2\frac{m_{a_0}^3}{64\pi},
\displaystyle\Gamma(a_0{\to}gg)=\kappa_g^2\frac{m_{a_0}^3}{8\pi},
con la anchura de la resonancia \Gamma_{a_0}=\Gamma(a_0{\to}gg)+\Gamma(a_0{\to}\gamma\gamma).
Dibujo20160101 effective coupling axion to photons versus effective coupling axion quarks 750 gev luis ibanez arxiv org
La figura de arriba muestra los valores de los parámetros (\kappa_\gamma,\kappa_g) compatibles con los límites de exclusión actuales.
 Claramente hay hueco para una anchura \Gamma(a_0\to \gamma\gamma) < 45 GeV.
Todo indica que un megaxión a_0 puede explicar la resonancia a 750 GeV observada por el LHC Run 2.
 Por supuesto, este axión se puede explicar usando el paradigma de la teoría cuántica de campos. Pero Ibáñez y Martín-Lozano nos cuentan como se puede explicar en el paradigma de la teoría de cuerdas. En concreto en el esquema de branas en interacción que aparece en la figura que abre esta entrada. 
El modelo estándar (quarks y leptones) residen en las intersecciones entre cuatro pilas de D6-branas denotadas a, b, c y d en la figura, que corresponden a la simetría gauge U(3)_a\times U(2)_b\times U(1)_c\times U(1)_d.
Sin entrar en más detalles técnicos, estos modelos cuerdísticos predicen de forma genérica un conjunto de axiones en el sector Ramond-Ramond.
 El axión más ligero será único y tendrá una masa muy por debajo de la escala Ms (recuerda que es mayor de 7 TeV). 
Además estará acoplado a los campos U(1), pero no a los SU(2). Dicho axión más ligero es el megaxión que explicaría la resonancia a 750 GeV.
Permíteme acabar recordando que la gran ventaja de los paradigmas comprensivos, como la teoría cuántica de campos o la teoría de cuerdas, es que permiten construir modelos para describir cualquier nuevo resultado experimental que se observe. 
Toda nueva partícula, toda nueva resonancia, debe tener una explicación natural en el paradigma. 
Los paradigmas sin la potencia expresiva suficiente deben ser descartados.

http://francis.naukas.com/
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