Descubriendo las Propiedades de las Partículas Elementales Mediante el Estudio de la Estructura Galáctica: Un Enfoque Unificado

Por: William Brown, Biofísico de Resonance Science Foundation

El paradigma inflacionario cosmológico ha recibido un notable apoyo y concordancia con los datos observacionales en los 30 años transcurridos desde que se introdujo por primera vez [1] (Universo inflacionario: Una posible solución a los problemas de horizonte y planitud), Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems, por Alan Guth, 1981). Sin embargo, hay una serie de cuestiones pendientes, varias de las cuales plantean importantes desafíos. Por ejemplo, cómo es que el universo primitivo formó perturbaciones de densidad que produjeron las estructuras galácticas a gran escala que existen hoy en día, cuando se suponía que era notablemente homogéneo. La teoría estándar explica que estos gradientes de densidad son el resultado de las fluctuaciones cuánticas del vacío que se produjeron en el universo primitivo y que habrían producido inhomogeneidades a microescala, proporcionando las estructuras semilla para formar galaxias y su orden cosmológico a gran escala ( large-scale cosmological order ) (estas estructuras semilla se describen con mayor precisión como agujeros negros primordiales) primordial black holes.

Otro desafío particular proviene del nebuloso poder de predicción del Modelo Estándar para explicar la estructura y el orden observados hoy en día, en el sentido que el espectro de masas de las partículas fundamentales cambiará dependiendo de qué parámetros estén presentes durante los diferentes modelos de inflación cósmica (que pueden tener cualquier número de valores potenciales diferentes). Bajo tal variabilidad potencial del Modelo Estándar, no hay manera de predecir a priori qué valores se "asentarán", esto es un evento completamente aleatorio, y por lo tanto no hay razón para creer que si el Big Bang se ejecutara de nuevo resultaría en algo cercano a la organización y propiedades de nuestro universo actual.

Un equipo que incluye a Xingang Chen, del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), Yi Wang, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST), que trabajó con Nima Arkani-Hamed y Juan Maldacena—y Zhong-Zhi Xianyu, del Centro de Ciencias Matemáticas y Aplicaciones de Harvard, han descrito un método para explicar cómo se crearon las propiedades de las partículas elementales en el Big Bang mediante el estudio de las mayores estructuras del cosmos.

El método se basa en la comprensión de que las estructuras microscópicas iniciales del universo primitivo, como las partículas elementales, quedan impresas en las estructuras a mayor escala del universo posterior, como las galaxias y la radiación cósmica de fondo de microondas. Por lo tanto, al estudiar las estadísticas, la distribución espacial y otras propiedades del universo a la escala más grande, los investigadores pueden obtener una visión aguda de la naturaleza de los objetos a escala más pequeña: las partículas fundamentales.

"El número relativo de partículas fundamentales que tienen diferentes masas -lo que llamamos el espectro de masas- en el Modelo Estándar, tiene un patrón especial, que puede verse como la huella digital del Modelo Estándar", explicó Zhong-Zhi Xianyu. "Sin embargo, esta huella dactilar cambia a medida que cambia el entorno, y habría tenido un aspecto muy diferente en el momento de la inflación del que tiene ahora".

El equipo mostró cómo sería el espectro de masas del Modelo Estándar para diferentes modelos de inflación. También mostraron cómo este espectro de masas queda impreso en la apariencia de la estructura a gran escala de nuestro universo. Este estudio allana el camino para el futuro descubrimiento de una nueva física.

Esta técnica no es nueva, el físico Nassim Haramein, ha aplicado este método de estudio de la distribución a mayor escala de las estructuras y propiedades del universo para entender la más pequeña, y viceversa, con notable éxito. Haramein y la astrofísica Amira Val Baker han aplicado la solución gravitacional cuántica a la masa y el radio del protón, para explicar los parámetros exactos de la inflación en su modelo cosmológico, que proporciona un modelo de primeros principios para predecir y explicar las constantes fundamentales y las propiedades de las partículas elementales que se formarán tras la inflación.

Existe una unificación a través de la escala, donde los objetos más pequeños se imprimen en las propiedades de los más grandes, y las estructuras de mayor escala influyen y dan lugar a las propiedades de las más pequeñas.

"Si tenemos la suerte de observar estas huellas, no sólo podremos estudiar la física de partículas y los principios fundamentales del universo primitivo, sino también comprender mejor la propia inflación cósmica. En este sentido, aún queda todo un universo de misterios por explorar", afirmó Xianyu.

La investigación del equipo de Xianyu se detalla en un artículo publicado en la revista Physical Review Letters el 29 de junio (paper published). 

[1] A. H. Guth, Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems. Phys. Rev. D 23, 347 (1981); A. D. Linde, Phys. Lett. B 108, 389 (1982); A. Albrecht and P. J. Steinhardt, Phys. Rev. Lett. 48, 1220 (1982).

Artículo principal en: http://news.harvard.edu/gazette/story/2017/07/scientists-are-using-the-universe-as-a-cosmological-collider/

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