Neutralino

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Neutral eigenstate de masa formado por superpartners de calibre y bosons Higgs

En la supersimetría, la neutralino es una partícula hipotética. En el Modelo Estándar Minimal Supersimétrico (MSSM), un modelo popular de realización de la supersimetría a baja energía, hay cuatro neutralinos que son fermiones y son eléctricamente neutrales, el más ligero de los cuales es estable en un escenario conservado de R-paridad de MSSM. Normalmente se etiquetan $N͂ 01$ (el más ligero), $N͂ 02$ , $N͂ 03$ y $N͂ 04$ (el más pesado) aunque a veces ${tilde {chi }}_{1}^{0},ldots{tilde {chi }}_{4}^{0}$ también se utiliza cuando ${tilde {chi }}_{i}^{pm }$ se utiliza para referirse a charginos.

(En este artículo,

C͂ \pm 1

se utiliza para chargino #1, etc.)

Estos cuatro estados están compuestos del bino y el wino neutro (que son los gauginos neutros electrodébiles) y los higgsinos neutros. Como los neutralinos son fermiones de Majorana, cada uno de ellos es idéntico a su antipartícula.

Comportamiento esperado

Si existen, estas partículas solo interactuarían con los bosones vectoriales débiles, por lo que no se producirían directamente en colisionadores de hadrones en grandes cantidades. Aparecerían principalmente como partículas en desintegraciones en cascada (desintegraciones que ocurren en múltiples pasos) de partículas más pesadas que generalmente se originan a partir de partículas supersimétricas coloreadas como squarks o gluinos.

En los modelos de conservación de paridad R, el neutralino más ligero es estable y todas las desintegraciones en cascada supersimétricas terminan descomponiéndose en esta partícula, lo que deja al detector invisible y su existencia solo puede inferirse buscando un impulso desequilibrado en un detector.

Los neutralinos más pesados normalmente se desintegran a través de un bosón Z neutro a un neutralino más ligero o a través de un bosón W cargado a un chargino ligero:

N͂ 02

\to

N͂ 01

Z 0

\to

Falta de energía

l+

l-

N͂ 02

\to

C͂ \pm 1

W \mp

\to

N͂ 01

W \pm

W \mp

\to

Falta de energía

l +

. l

l -

. l

Las divisiones de masa entre los diferentes neutralinos dictarán qué patrones de desintegraciones se permitirán.

Hasta el momento, los neutralinos nunca han sido observados ni detectados en un experimento.

Orígenes de las teorías supersimétricas

En los modelos de supersimetría, todas las partículas del modelo estándar tienen partículas asociadas con los mismos números cuánticos, excepto el espín del número cuántico, que difiere en 1⁄2 de su partícula asociada. Dado que los supercompañeros del bosón Z (zino), el fotón (photino) y el higgs neutro (higgsino) tienen los mismos números cuánticos, pueden mezclarse para formar cuatro estados propios del operador de masa llamados "neutralinos". En muchos modelos, el más ligero de los cuatro neutralinos resulta ser la partícula supersimétrica más ligera (LSP), aunque otras partículas también pueden asumir este papel.

Fenomenología

Las propiedades exactas de cada neutralino dependerán de los detalles de la mezcla (por ejemplo, si son más parecidos a higgsino o gaugino), pero tienden a tener masas en la escala débil (100 GeV ~ 1 TeV) y acoplarse a otras partículas con fuerzas características de la interacción débil. De esta manera, excepto por la masa, son fenomenológicamente similares a los neutrinos y, por tanto, no son directamente observables en los detectores de partículas instalados en los aceleradores.

En los modelos en los que se conserva la paridad R y el más ligero de los cuatro neutralinos es el LSP, el neutralino más ligero es estable y eventualmente se produce en la cadena de desintegración de todos los demás supercompañeros. En tales casos, los procesos supersimétricos en los aceleradores se caracterizan por la expectativa de una gran discrepancia en energía y momento entre las partículas visibles en estado inicial y final, siendo esta energía transportada por un neutralino que sale del detector sin ser detectado. Esta es una firma importante para discriminar la supersimetría de los antecedentes del Modelo Estándar.

Relación con la materia oscura

Como partícula pesada y estable, el neutralino más ligero es un excelente candidato para formar la fría materia oscura del universo. En muchos modelos, el neutralino más ligero puede producirse térmicamente en el universo temprano caliente y dejar aproximadamente la abundancia de reliquias adecuada para dar cuenta de la materia oscura observada. Un neutralino más ligero de aproximadamente 10–10000 GeV es el principal candidato a materia oscura de partículas masivas de interacción débil (WIMP).

La materia oscura neutralino se pudo observar experimentalmente en la naturaleza de forma directa o indirecta. Para la observación indirecta, los telescopios de rayos gamma y neutrinos buscan evidencia de aniquilación de neutralinos en regiones de alta densidad de materia oscura, como el centro galáctico o solar. Para la observación directa, experimentos con fines especiales, como la Búsqueda Criogénica de Materia Oscura (CDMS), buscan detectar los raros impactos de WIMP en detectores terrestres. Estos experimentos han comenzado a explorar el espacio de parámetros supersimétricos interesantes, excluyendo algunos modelos para la materia oscura neutralino, y se están desarrollando experimentos mejorados con mayor sensibilidad.

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