En 1867, Lord Kelvin describió los átomos como pequeños nudos en un medio invisible llamado éter. Esa imagen resultó ser incorrecta, ya que los átomos están hechos de partículas subatómicas en lugar de girar en el espacio. Sin embargo, su idea descartada de estructura anudada aún puede ayudar a explicar una de las preguntas más profundas de la ciencia: por qué existe algo en el universo.
Un equipo de físicos en Japón ha demostrado que las estructuras anudadas pueden aparecer naturalmente en un modelo realista de física de partículas que resuelve varios misterios importantes, incluido el origen de la masa de los neutrinos, la materia oscura y el problema de la CP fuerte. Su investigación, publicada carta de revisión físicasugiere que tales “nudos cósmicos” pueden haberse formado en el universo temprano que cambiaba violentamente, asumieron brevemente una forma dominante de energía y luego colapsaron de una manera que favoreció ligeramente a la materia sobre la antimateria. A medida que se forman y desintegran, estos nudos crean un patrón distintivo de ondas gravitacionales que se propagarán a través del espacio-tiempo y que los futuros exploradores podrán captar, lo cual es raro en un problema que generalmente es demasiado difícil de examinar directamente.
“Esta investigación aborda uno de los misterios más fundamentales de la física: por qué nuestro universo está hecho de materia y no de antimateria”, dijo el autor correspondiente del estudio Muneto Nitta, profesor (designación especial) en el Instituto Internacional para la Sostenibilidad con Metamateria Quiral Anudada (WPI-SKCM) de la Universidad de Hiroshima.
“Esta pregunta es importante porque afecta directamente a por qué existen las estrellas, las galaxias y nosotros mismos”.
Desequilibrio de materia y antimateria.
Según la teoría del Big Bang, el universo debería haber comenzado con cantidades iguales de materia y antimateria. Cada partícula de materia tiene una compañera de antimateria de la misma masa pero de carga opuesta, y cuando chocan, se aniquilan en energía pura. Si todo estuviera perfectamente equilibrado, toda la materia y la antimateria deberían aniquilarse entre sí, quedando sólo la radiación.
En cambio, casi todo lo que vemos hoy está hecho de materia, y casi no se encuentra antimateria en el cosmos. Cálculos simples muestran que todo el universo observable, desde los átomos individuales hasta los cúmulos de galaxias, existe porque, en el universo primitivo, sólo sobrevivía una partícula de materia extra por cada mil millones de pares de materia-antimateria.
El modelo estándar de física de partículas, que describe con éxito la mayoría de las partículas y fuerzas conocidas, no puede explicar esta pequeña pero importante asimetría. Por el exceso de materia su predicción se queda muy corta. Comprender cómo surgió ese pequeño excedente de materia, un proceso conocido como bariogénesis, sigue siendo uno de los principales problemas sin resolver de la física.
Creando un nuevo modelo con nudos cósmicos
Nitta y Minoru Ito del WPI-SKCM2 de la Universidad de Hiroshima, junto con Yu Hamada del Deutsches Electron-Synchrotron, un centro de investigación centrado en fenómenos anudados y quirales en sistemas y escalas, sostienen que una solución plausible puede estar oculta en una extensión bien conocida.
Al combinar una simetría medida del número bariónico menos el número leptónico (BL) con la simetría de Peccei-Quinn (PQ), el equipo descubrió que configuraciones anudadas estables podrían formarse naturalmente en el universo temprano y formar la masa de materia observada más tarde.
Ito también es profesor en la Universidad de Yamagata y los tres científicos están afiliados a la Universidad de Keio en Japón.
Neutrinos fantasmales, ejes y simetrías ocultas
Estas dos simetrías adicionales se han estudiado durante décadas porque ayudan a resolver los mayores defectos del modelo estándar. La simetría PQ resuelve el problema CP fuerte, que pregunta por qué los experimentos no logran detectar el pequeño momento dipolar eléctrico que la teoría predice para los neutrones. Para resolver este rompecabezas, PQ introduce el eje de simetría, una partícula hipotética que es una de las principales candidatas a la materia oscura. Al mismo tiempo, la simetría BL proporciona una explicación natural de por qué los neutrinos tienen masa, aunque interactúan tan débilmente con la materia que pueden atravesar planetas enteros sin dejar rastro.
En este modelo, la simetría PQ se mantiene como una simetría global sin ser “medida”, lo que preserva la fina física axisimétrica necesaria para resolver el problema de CP fuerte. En física, “medir” una simetría significa permitirle actuar de forma independiente en cada punto del espacio-tiempo. Esta libertad tiene un precio, ya que la teoría requiere una nueva partícula portadora de fuerza para mantener consistentes las ecuaciones. En cambio, al medir la simetría del BL, los investigadores confirmaron la existencia de neutrinos diestros pesados, que son necesarios para descartar inconsistencias en la teoría y desempeñan un papel clave en muchos escenarios de bariogénesis. La medición de BL también produce un comportamiento similar al de un superconductor y establece la estructura magnética que permite que se formen algunos nudos en el universo primitivo.
Hilos cósmicos en el universo joven
A medida que el universo se expandió y enfrió después del Big Bang, probablemente experimentó una serie de transiciones de fase en las que sus simetrías se rompieron periódicamente. Este proceso, que puede compararse de forma desigual con el agua que se congela en el hielo, puede dejar defectos finos en forma de hilos conocidos como hilos cósmicos. Estos objetos a menudo se describen como fisuras en el espacio-tiempo y siguen siendo hipotéticos, pero muchos cosmólogos los consideran una posibilidad seria. A pesar de ser más delgada que un protón, sólo una pulgada de una cuerda de este tipo podría pesar tanto como una montaña.
A medida que el universo crecía, una red de estos hilos se habría estirado, retorcido y enredado, almacenando información sobre las condiciones que existían en los primeros momentos.
La ruptura de la simetría BL produce cuerdas que se comportan como tubos de flujo magnético, mientras que la simetría PQ produce vórtices superfluidos que no transportan flujo magnético. La diferencia total entre estos dos tipos de errores es exactamente lo que les permite encajar. El tubo de flujo BL PQ proporciona un marco para conectar el vórtice de superfluido al acoplamiento Chern-Simons. A su vez, este acoplamiento permite que el vórtice de superfluido PQ bombee carga eléctrica al tubo de flujo BL y se oponga a la tensión que normalmente haría que el bucle se contrajera y se rompiera. El resultado es un estado topológicamente bloqueado de larga duración conocido como solitón de nudo.
“Nadie ha estudiado estas dos simetrías al mismo tiempo”, afirma Nita. “Es una suerte para nosotros. Reunirlos revela un nudo estable”.
Una época dominada por nudos y túneles cuánticos
En un universo en expansión, la radiación pierde energía gradualmente a medida que su longitud de onda se expande con el espacio-tiempo. Los nudos, sin embargo, se comportaban como materia normal, por lo que su densidad energética disminuía mucho más lentamente. Como resultado, eventualmente dominan la radiación, creando un período en la historia cósmica donde la energía almacenada en el nudo controla la evolución del universo.
Esta fase no duró para siempre. Los nudos finalmente se deshacen mediante túneles cuánticos, un proceso en el que las partículas superan barreras energéticas que serían insuperables en la física clásica, como si atravesaran una pared. Cuando los nudos se rompen, producen pesados neutrinos diestros como consecuencia directa de la simetría BL incrustada en su estructura. Estas partículas extremadamente masivas y esquivas luego se desintegran en partículas más ligeras y estables y tienen una ligera preferencia por la materia sobre la antimateria. Esa pequeña preferencia finalmente condujo al universo lleno de materia que vemos hoy.
“Básicamente, este colapso produce muchas partículas, incluidos neutrinos diestros en forma de lluvia, bosones escalares y bosones calibre”, explica Hamada, coautor del estudio. “Entre ellos, los neutrinos diestros son especiales porque su desintegración puede crear naturalmente un desequilibrio entre materia y antimateria. Estos neutrinos más pesados se descomponen en partículas más ligeras como electrones y fotones, creando una cascada secundaria que recalienta el universo”.
“En este sentido”, añade, “son los padres de toda la materia del universo actual, incluidos nuestros propios cuerpos, mientras que los nudos pueden considerarse nuestros abuelos”.
Vinculando la física de nudos con el universo actual
Para probar su idea, los investigadores siguieron en detalle los resultados matemáticos de su modelo, incluida la eficiencia con la que los nudos producen neutrinos diestros, el peso de esos neutrinos y cuánto se calienta el universo cuando se desintegran. De este cálculo surgen naturalmente los desequilibrios materia-antimateria que se observan hoy.
Reordenando las ecuaciones y suponiendo una masa realista de 1012 Para los neutrinos diestros pesados de gigaelectronvoltios (GeV) y los nudos que transfieren la mayor parte de su energía almacenada para producir estas partículas, el modelo predice una temperatura de recalentamiento de aproximadamente 100 GeV. Esta temperatura corresponde a la última oportunidad del universo de crear materia a partir del desequilibrio de neutrinos. Por debajo de esta temperatura, los procesos electrodébiles que convierten un neutrino asimétrico en materia extra se desactivan efectivamente.
Recalentarlo a 100 GeV también afectaría el fondo de ondas gravitacionales del universo, desplazando su espectro a frecuencias más altas. Los futuros observatorios de ondas gravitacionales, incluida la antena espacial con interferómetro láser de Europa (LISA), el Cosmic Explorer de EE. UU. y el observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro Deci-Hertz de Japón (DECIGO), algún día podrán detectar estos cambios sutiles en la onda de señal gravitacional cósmica.
“Las cuerdas cósmicas son una especie de solitones topológicos, objetos definidos por cantidades que permanecen iguales sin importar cuánto los tuerzas o estires”, dijo Ito. “Esa propiedad no sólo garantiza su estabilidad, sino que significa que nuestros resultados no están vinculados a la especificidad del modelo. Aunque el trabajo sigue siendo teórico, la topología subyacente no cambia, por lo que vemos esto como un paso importante hacia el desarrollo futuro”.
Un modelo de nudo realista desde el punto de vista de Kelvin.
Lord Kelvin sugirió originalmente que los nudos podrían ser los constituyentes básicos de la materia. Esa idea inicial resultó errónea, pero el nuevo trabajo recupera el espíritu de su propuesta de una manera más sofisticada. Los investigadores sostienen que sus resultados “proporcionan, por primera vez, un modelo realista de física de partículas en el que los nudos pueden desempeñar un papel importante en el origen de la materia”.
“El siguiente paso es perfeccionar los modelos teóricos y las simulaciones para predecir mejor la formación y descomposición de estos nudos y correlacionar sus firmas con señales de observación”, dijo Nitta. “En particular, los próximos experimentos de ondas gravitacionales como LISA, Cosmic Explorer y DECIGO podrán comprobar si el Universo ha pasado realmente por una era dominada por los nudos”.
En última instancia, el equipo espera determinar si la estructura en forma de nudo fue realmente esencial para la creación de materia en el universo. Si es así, podrían ayudar a reconstruir una historia más completa y físicamente comprobable de cómo comenzó el universo.
