El nacimiento del universo

¿Cómo surgió el universo?

¿Está la física de partículas en una época de crisis? Keith Baker, físico de la Thomas Jefferson National Accelerator Facility, lo ve como un periodo de oportunidades para describir nuevos fenómenos.
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Según las teorías modernas de la evolución cósmica, el universo comenzó con una explosión singular, seguida de un estallido de expansión inflacionaria. Para entender la inflación se requieren avances en nuestra comprensión de la física fundamental, la gravedad cuántica y la teoría unificada definitiva. Aunque las condiciones inflacionarias son demasiado elevadas en energía para reproducirlas en la Tierra, podemos observar sus firmas, transmitidas a lo largo de los eones por su huella en la materia relicta que aún podemos detectar de esa época.
Después de la inflación, las condiciones del universo primitivo eran aún tan extremas que podían combinar partículas elementales en nuevas fases de la materia. A medida que el universo se expandía y enfriaba, se producían transiciones en las que la materia cambiaba de una fase a otra, como el vapor que se condensa en agua. Algunas de estas transiciones de fase pueden haber sido los acontecimientos más dramáticos de la historia cósmica, dando forma a la evolución del universo y dejando reliquias observables hoy en día. Las transiciones de fase cósmicas podrían recrearse en experimentos con aceleradores de alta energía.

Herramientas para una revolución científica

Según las teorías actuales de la evolución cósmica, el universo comienza con una «singularidad inicial», un punto en el que se rompen todas las leyes físicas conocidas. Esta singularidad produjo un universo delicadamente equilibrado, como un lápiz tan precisamente equilibrado en su punta que se mantiene erguido durante 14.000 millones de años. ¿Cómo llegó el universo a ese estado? ¿Cómo ha llegado a ser tan antiguo? ¿Por qué no se ha fragmentado aún más o no se ha derrumbado sobre sí mismo?

Durante las dos últimas décadas, la teoría de la inflación cósmica ha ofrecido una explicación convincente del inicio del big bang. Según esta teoría, una fase temprana de expansión acelerada dio lugar al universo equilibrado que vemos hoy. La inflación cósmica es la mano que equilibró el lápiz sobre su punta. Como subproducto, también produjo las semillas que evolucionaron en estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias y otras estructuras del universo.

La inflación cósmica presenta retos relacionados con las cuestiones fundamentales de este informe. Una posibilidad es que la inflación cósmica se originara con una forma de energía oscura, parecida a la energía oscura observada hoy en día. Si es así, ¿qué tipo de materia la produjo? ¿Juega esta forma de materia un papel en la unificación? ¿Qué relación tiene con las dimensiones adicionales? Más radical aún es la posibilidad de que el espacio y el tiempo hayan cambiado de naturaleza al comienzo del Big Bang. ¿La teoría de las cuerdas suaviza la singularidad inicial? Qué modelo eligió realmente la naturaleza?

En la actualidad, las mediciones de las fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas (CMB), especialmente del WMAP, proporcionan la mejor evidencia a favor de la inflación. Las restricciones sobre los parámetros cósmicos, como la curvatura del universo, y la naturaleza de la estructura cósmica, están en amplio acuerdo con las predicciones de la teoría inflacionaria. Eventualmente, las mediciones de la polarización del CMB podrían permitir la detección de las firmas de las ondas gravitacionales producidas durante la época de la inflación, lo que podría proporcionar información sobre la naturaleza del campo escalar que produjo la inflación.

Después del big bang, el universo se expandió y se enfrió hasta alcanzar su estado actual. Por el camino, el universo pasó por una serie de transiciones de fase en las que varias partículas se congelaron, como el agua se convierte en hielo al enfriarse. Estas transiciones de fase impulsaron algunas de las épocas más importantes de la historia cósmica. Por ejemplo, una transición de fase puede ser lo que impulsó la inflación cósmica. Las transiciones de fase podrían producir «defectos cósmicos», como cuerdas y textura y otras formas exóticas de materia, que podrían explicar los rayos cósmicos de ultra alta energía, la materia oscura y quizás incluso la energía oscura.

Los experimentos en el LHC continuarán iluminando la transición de fase electrodébil, donde la mayoría de las partículas conocidas adquirieron sus masas. Una mejor comprensión de esta transición de fase permitirá a los científicos acercarse al propio Big Bang. De hecho, es probable que la transición de fase electrodébil sea el origen último de la asimetría materia-antimateria que vemos hoy en el universo. Los descubrimientos de nuevas partículas y nuevas interacciones iluminarán esta historia y determinarán si es correcta. Además, el relato de la evolución cósmica debe incorporar cualquier descubrimiento de nuevas simetrías o nuevas dimensiones.

Actualmente, la transición de fase cósmica más intensamente estudiada está relacionada con la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría de la fuerza nuclear. Durante la transición de fase de la QCD, la materia bariónica del universo actual se condensó a partir de un estado plasmático de quarks y gluones. La instalación del Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) en el BNL está creando actualmente colisiones de iones pesados para estudiar el plasma de quarks-gluones; el experimento ALICE en el LHC investiga el plasma de quarks-gluones a energías y temperaturas más altas. Las instalaciones computacionales de celosía permitirán realizar cálculos que permitan comprender mejor los datos del RHIC y las condiciones durante esta época de la evolución del universo primitivo.