Las teorías Technicolor son modelos de física más allá del Modelo Estándar que nos llevan a la ruptura de la simetría electrodébil, el mecanismo por el cual las partículas elementales adquieren masa. Las primeras teorías technicolor se basaron en la cromodinámica cuántica (QCD en inglés), la teoría del "color", que inspiró su nombre.
En vez de introducir los elementales bosones de Higgs, el modelo technicolor rompe con la simetría electrodébil y crea masas para los bosones W y Z mediante la dinámica de una nueva interacción de gauge. Aunque asintóticamente libres a muy altas energías, estas interacciones deben convertirse en fuertes y confinantes (y por tanto inobservables) a bajas energías que se han usado para experimentar. Esta aproximación dinámica es natural y no sufre el problema de jerarquía del modelo estándar.
Para producir quarks y leptones con masa, el technicolor debe ser "extendido" añadiendo más interacciones de gauge. Particularmente cuando se basa en la cromodinámica cuántica, el technicolor extendido puede ser probado con restricciones experimentales en corriente neutral de cambio de sabor y con medidas electrodébiles de precisión.
La mayoría de la investigación technicolor se centra en explorar las teorías gauge de interacción-fuerte más que la cromodinámica cuántica, la cual evita algunos de estos problemas, pero sobre lo que se conoce relativamente poco.For introductions to and reviews of technicolor, see: Un marco particularmente activo es el technicolor "caminante", que muestra un comportamiento casi-conforme a causa de un punto fijo infrarrojo con fuerza justo por encima de la necesaria para tener ruptura espontánea de la simetría quiral. Se está estudiando con simulaciones enrejado no-perturbativa si el technicolor "caminante" puede producirse y llevar a un acuerdo con medidas de precisión electrodébiles.
Se espera que los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones descubran el mecanismo responsable de la ruptura de la simetría electrodébil, y sería determinante para determinar si el marco del technicolor da la correcta descripción de la naturaleza.
Introducción Todavía se desconoce el mecanismo de ruptura de la simetría de gauge electrodébil en el modelo estándar de partículas elementales. La ruptura debe ser espontánea, lo que significa que la teoría subyacente manifiesta exactamente la simetría (los campos de bosones-gauge no tienen masa en las ecuaciones de movimiento), pero las soluciones (el estado del punto cero y los estados excitados) no. En concreto, los bosones de gauge W y Z se vuelven supermasivos. Este fenómeno, en el cual los bosones W y Z adquieren también un estado extra de polarización, se le llama el "Mecanismo de Higgs". A pesar del acuerdo preciso de la teoría electrodébil con experimentos energías accesibles, los ingredientes necesarios para la ruptura de simetría permanecen ocultos, esperando ser descubiertos a energías más altas.
El mecanismo más simple de ruptura de simetría electrodébil presenta un campo singular complejo y predice la existencia del Bosón de Higgs. Normalmente, El bosón de Higgs es "no-natural" en el sentido que las fluctuaciones de la mecánica cuántica producen correcciones en su masa que la deja a tan altos valores que no puede usarse para el rol por el cual ha sido introducido. A menos que el modelo estándar se venga abajo a energías de algo más de unos pocos Tev, la masa de Higgs solo puede mantenerse pequeña con un ajuste muy delicado y preciso de los parámetros.
El technicolor evita este problema gracias a la hipótesis de una nueva interacción de gauge acoplada a nuevos fermiones sin masa. Esta interacción es asintóticamente libre a muy altas energías y se vuelve fuerte y confinante cuando la energía disminuye a la escala electrodébil de algo más de 250 GeV. Estas fuerzas fuertes acaban espontáneamente con las simetrías quirales de los fermiones sin más, algunos de los cuales tienen un gauge débil como parte del modelo estándar. Esta es la versión dinámica del mecanismo de Higgs. La simetría de gauge electrodébil se ve por tanto rota, produciéndose así masa para los bosones W y Z.
La nueva interacción fuerte lleva a un ámbito de nueva composición, partículas de corta vida accesibles a energías también accesibles para el Gran Colisionador de Hadrones (LHC en inglés). Este marco es natural porque no hay bosones de Higgs elementales y por tanto, no se requiere un ajuste fino de parámetros. Las masas de los Quark y los leptones también rompen las simetrías de gauge electrodébiles, por lo que estos también deben aparecer espontáneamente. Se conoce un mecanismo para incorporar este hecho, el technicolor extendido. El technicolor y el technicolor extendido se enfrentan a retos fenomenológicos. Algunos de ellos pueden abordarse con una clase de teorías como el technicolor "caminante".
El principio del technicolor Technicolor es el nombre que se le dio a la teoría de la ruptura de simetría electrodébil por una nueva interacción de gauge fuerte cuya característica escala de energía ΛTC es la escala débil en sí misma, ΛTC ≅ FEW ≡ 246 GeV. El principio que guía al technicolor es la "naturalidad": un fenómeno físico básico no debe necesitar de ajuste fino de parámetros en la Lagrangiana que los descubre. Lo que constituye un ajuste fino es en ciertos contextos un hecho subjetivo, pero una teoría con partículas elementales escalares es normalmente muy ajustada (a menos que sea supersimétrica). La divergencia cuadrática en la masa de los escalares requiere ajustes de una parte en , donde Mbare es la cota de la teoría, la escala de energía a la cual la teoría cambia de una manera esencial. En el modelo estándar electrodébil con Mbare ∼ 1015 GeV (la escala de la gran unificación de masa), y con la masa del bosón de Higgs Mphysical = 100–500 GeV, se ajusta la masa al menos a una parte en 1025.
Por otro lado, una teoría natural de ruptura de simetría electrodébil es una teoría de gauge asintóticamente libre con fermiones como los únicos campos de materia. Se asume que el grupo de gaute technicolor GTC es SU(NTC). Basado en analogías con la cromodinámica cuántica (QCD en inglés), se asume que hay una o más parejas de "technifermiones" de Dirac sin masa transformándose vectorialmente bajo la misma representación compleja de GTC, TiL,R = (Ui,Di)L,R, i = 1,2, …,Nf/2. Así mismo, hay una simetría quiral de estos fermiones, por ejemplo, SU(Nf)L ⊗ SU(Nf)R, si todos se transforman de acuerdo con la misma representación compleja de GTC. Continuando la analogía con QCD, el acoplamiento de gauge en funcionamiento αTC(μ) comienza la ruptura de la simetría quiral de forma espontánea, los technifermiones adquieren una masa dinámica, y aparecen un número de partículas sin masa, los bosones de Goldstone. Si los technifermiones se transforman bajo [SU(2) ⊗ U(1)]EW en parejas de izquierdas y singulares de derecha, hay tres combinaciones lineales de estos bosones de Glodstone acoplados a tres de corrientes de gauge electrodébiles.
En 1973 Jackiw y Johnson and Cornwall and Norton estudiaron la posibilidad de que una interacción de gauge (no-vectorial) de fermiones pudiera romperse por sí misma; por ejemplo, sería suficientemente fuerte formar un bosón de Goldstone acoplado a una corriente de gauge. Usando modelos de gauge abelianos, demostraron que, si tal bosón se forma, el mecanismo de Higgs "se lo come", convirtiéndose en la componente longitudinal del ahora con masa bosón de gauge. Técnicamente, la función de polarización Π(p2) aparece en el propagador del bosón de gauge, Δμν = (pμ pν/p2 - gμν)/[p2(1 Ð g2 Π(p2))] desarrolla un polo en p2 = 0 con reiduo F2, el cuadrado de la constante de decaimiento del bosón de Goldstone, y el bosón de gauge adquiere masa M ≅ g F. En 1973, Weinstein demostró que bosones de Goldstone compuestos cuyos fermiones constituyentes se transforman de manera "estándar" bajo SU(2) ⊗ U(1) generan las masas débiles de los bosones.
Esta relación del modelo estándar se consigue con bosones de Higgs elementales en dobletes electrodébiles; está verificado experimentalmente a más del 1%. Aquí, g y g′ son acoplamientos gauge SU(2) y U(1) y tanθW = g′/g define el ángulo de mezcla débil.
La importante idea de una nueva interacción fuerte de gauge de fermiones sin masa en la escala electrodébil FEW que conducen a la ruptura espontánea de su simetría quiral, de la que un subgrupo SU(2) ⊗ U(1) es de gauge débil, fue propuesta por primera vez en 1979 por S. Weinberg and L. Susskind. Este mecanismo "technicolor" es natural ya que no necesita ajuste fino de parámetros.
El problema de dar masa a quarks y leptones La más simple de las teorías technicolor sustituye el Mecanismo de Higgs por un condensado fermiónico tal como sugirieron (independientemente) Weinberg y Susskind, de acuerdo con D'Souza y Kalman. Escribieron lo siguiente; "Asumimos que existe alguna teoría subyacente la cual rompe de forma dinámica SU(2) ⊗ U(1). La teoría más sencilla en la cual la expectación de vacío de Higgs se sustituye por un condensado de fermiones. Esto es análogo al modo en que el (escalar) parámetro de orden en la teoría Landau-Ginzburg de la superconductividad se sustituye por un condensado de pares de Cooper en la teoría de Bardeen, Cooper y Schrieffer o la manera en que el pion (par de quarks) rompen la simetría quiral en QCD. Se descubre que la ruptura de SU(2) ⊗ U(1) mediante un condesando de fermiones tiene lugar sin el problema de dar masa a los bosones débiles. Sin embargo, el problema empieza cuando se intenta dar masa a los quarks y a los leptones. El problema incluye la posibilidad de corrientes neutrales de cambio de color (FCNC in inglés) y también la incertidumbre de que es exactamente lo que lleva a cabo el rol de los acoplamientos Yukawa."
Technicolor extendido Los bosones de Higgs elementales llevan a cabo otra tarea importante. En el modelo estándar, se necesita que los quarks y los leptones no tengan masa porque se transforman bajo SU(2) ⊗ U(1) como parejas de izquierdas y singulares de derechas. El doblete de Higgs se acopla a estos fermiones. Cuando se desarrolla un valor de expectación de vacío, transmite esta ruptura electrodébil a los quarks y leptones, dándoles su masa observable. (En general, los fermiones electrodébiles-eigenstate no tienen masa-eigenstates, por lo que este proceso también induce a la mezcla de matrices observadas en las interacciones débiles con corrientes cargadas.)
En el technicolor, algo debe generar las masas de los quark y los leptones. La única posibilidad natural, una vez evitado la introducción de escalares elementales, es hacer más grande GTC para permitir a los technifermiones acoplarse a los quarks y leptones. Este acoplamiento se induce por los bosones de gauge del grupo agrandado. Queda entonces que hay un gran grupo de gauge de "technicolor extendido" (ETC en inglés) GETC ⊃ GTC en el cual technifermiones, quarks y leptones viven en las mismas representaciones. En una o más altas escalas ΛETC, GETC se rompe hacia GTC, y los quarks y leptones emergen como fermiones TC-singulares. Cuando αTC(μ) se vuelve fuerte a escala ΛTC ≅ FEW, se forma el condensado fermiónico . (El condensado es el valor de expectación de vacío bilinear de los technifermiones . Aquí la estimación está basada en un análisis dimensional "ingenuo" del condensado de quarks en cromodinámica cuántica, que se espera corregir como un orden de magnitud.) Entonces, la transición puede llevarse a cabo a través de la masa dinámica del technifermión por la emisión y reabsorción de bosones ETC cuyas masas METC ≅ gETC ΛETC son mucho más grandes que ΛTC. Los quarks y leptones desarrollan masa, y esta es dada aproximadamente por
Aquí, es el condensado de technifermiones renormalizado a la escala de masa de bosones ETC,