Al principio de su historia, poco después del Big Bang, el universo estaba lleno de cantidades iguales de materia y «antimateria», partículas que son contrapartes de materia pero con carga opuesta. Pero luego, a medida que el espacio se expandía, el universo se enfriaba. El universo de hoy está lleno de galaxias y estrellas que están hechas de materia. ¿Adónde fue la antimateria y cómo llegó la materia a dominar el universo? Este origen cósmico de la materia continúa desconcertando a los científicos.
Los físicos de la Universidad de California, Riverside y la Universidad de Tsinghua en China ahora han abierto un nuevo camino para investigar el origen cósmico de la materia al invocar el «colisionador cosmológico».
No cualquier colisionador
Se han construido colisionadores de alta energía, como el Gran Colisionador de Hadrones, para producir partículas elementales subatómicas muy pesadas que pueden revelar nueva física. Pero alguna física nueva, como la que explica la materia oscura y el origen de la materia, puede involucrar partículas mucho más pesadas, que requieren mucha más energía que la que puede proporcionar un colisionador hecho por humanos. Resulta que el cosmos primitivo podría haber servido como un súper colisionador.
Yanou Cui, profesor asociado de física y astronomía en la UCR, explicó que se cree ampliamente que la inflación cósmica, una era en la que el universo se expandió a un ritmo de aceleración exponencial, precedió al Big Bang.
«La inflación cósmica proporcionó un entorno altamente energético, lo que permitió la producción de nuevas partículas pesadas, así como sus interacciones», dijo Cui. «El universo inflacionario se comportó como un colisionador cosmológico, excepto que la energía era hasta 10 mil millones de veces más grande que cualquier colisionador hecho por humanos».
Según Cui, las estructuras microscópicas creadas por eventos energéticos durante la inflación se estiraron a medida que el universo se expandía, dando como resultado regiones de densidad variable en un universo por lo demás homogéneo. Posteriormente, estas estructuras microscópicas sembraron la estructura a gran escala de nuestro universo, manifestada hoy como la distribución de galaxias en el cielo. Cui explicó que la nueva física de partículas subatómicas puede revelarse al estudiar la huella del colisionador cosmológico en los contenidos del cosmos hoy, como las galaxias y el fondo cósmico de microondas.
Cui y Zhong-Zhi Xianyu, profesor asistente de física en la Universidad de Tsinghua, informan en la revista Cartas de revisión física que mediante la aplicación de la física del colisionador cosmológico y el uso de datos de precisión para medir la estructura de nuestro universo a partir de próximos experimentos como SPHEREx y la tomografía de línea de 21 cm, se puede desentrañar el misterio del origen cósmico de la materia.
«El hecho de que nuestro universo actual esté dominado por la materia sigue siendo uno de los misterios más desconcertantes y antiguos de la física moderna», dijo Cui. «Se requiere un sutil desequilibrio o asimetría entre la materia y la antimateria en el universo primitivo para lograr el dominio actual de la materia, pero no se puede realizar dentro del marco conocido de la física fundamental».
Leptogénesis al rescate
Cui y Xianyu proponen probar la leptogénesis, un mecanismo bien conocido que explica el origen de la asimetría bariónica (gas y estrellas visibles) en nuestro universo. Si el universo hubiera comenzado con cantidades iguales de materia y antimateria, se habrían aniquilado entre sí en radiación de fotones, sin dejar nada. Dado que la materia supera con creces a la antimateria hoy en día, se requiere asimetría para explicar el desequilibrio.
«La leptogénesis se encuentra entre los mecanismos más convincentes que generan la asimetría entre materia y antimateria», dijo Cui. «Se trata de una nueva partícula fundamental, el neutrino dextrógiro. Sin embargo, durante mucho tiempo se pensó que probar la leptogénesis era casi imposible porque la masa del neutrino dextrógiro es típicamente muchos órdenes de magnitudes más allá del alcance de la energía más alta». colisionador jamás construido, el Gran Colisionador de Hadrones».
El nuevo trabajo propone probar la leptogénesis decodificando las propiedades estadísticas detalladas de la distribución espacial de los objetos en la estructura cósmica observada hoy, que recuerda a la física microscópica durante la inflación cósmica. El efecto del colisionador cosmológico, argumentan los investigadores, permite la producción del neutrino diestro superpesado durante la época inflacionaria.
«Específicamente, demostramos que las condiciones esenciales para la generación de asimetría, incluidas las interacciones y las masas del neutrino dextrógiro, que es el actor clave aquí, pueden dejar huellas distintivas en las estadísticas de la distribución espacial de las galaxias o el fondo cósmico de microondas y se puede medir con precisión», dijo Cui. «Las observaciones astrofísicas anticipadas en los próximos años pueden potencialmente detectar tales señales y desentrañar el origen cósmico de la materia».
Cui fue apoyado en la investigación por una subvención del Departamento de Energía de EE.UU.
