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Biografía del Universo 09: Una sopa con mucha radiación




de 10-32 a 10-12 segundos desde el inicio

Después de unas entradas con contenido más teórico que biográfico, por otro lado necesarias para comprender mejor lo que vamos a leer, proseguimos en ésta con el transcurrir de la historia del Universo, que es el objetivo último de esta serie. Volvamos a nuestro Universo del tamaño de una naranja, allá por el momento 10-32 segundos tras el Big Bang… más o menos. Hay opiniones al respecto del momento concreto del suceso, pero me parece que para nuestra historia del Cosmos son irrelevantes. Sabemos que fue muy al principio y en un momento que se había roto ya lo que postulaba la teoría de la Gran Unificación (GUT), al haberse liberado la fuerza nuclear fuerte de sus dos compañeras, la débil y la electromagnética, que siguieron formando un tandem (la fuerza electrodébil). Gracias al campo inflatón el Universo se había duplicado unas cien veces, tras lo que se había producido un intercambio de cromos: energía interna por materia y radiación, en un entorno de gran densidad y mucha temperatura, 1028K. Tras el recalentamiento habían quedado reliquias de ciertas fluctuaciones cuánticas, las cuales hacían que la distribución energética, o de masas, o de temperatura, que prácticamente es lo mismo, presentara unas tenues irregularidades. Las partículas y la radiación danzante conformaban un plasma por el que se transmitían ondas de presión semejantes a unas ondas sonoras.

Nuestro Universo era joven y, como parece corresponder a la edad, subversivo y alborotador, pero aún tendremos que esperar mucho tiempo para observar en él un cambio sustancial. Al poco de salir de la inflación este plasma violento había atemperado sus turbulencias, continuando su camino, activo y agitado, pero hacia un estado cada vez más asentado en el equilibrio termodinámico. La expansión del tejido base seguía su ritmo persistente, aunque ahora mucho más calmado. La propia expansión difuminaba los grumos de fluctuaciones cuánticas que, como dijimos, habían aparecido a lo largo de la excursión del campo inflatón hacia su mínima energía.[1] Así, el cuerpo del Universo se iba transformando paulatinamente en una nube de plasma cada vez más uniforme, conservando el recuerdo de sus irregularidades, sus rincones de mayor o menor energía, reliquias precisamente de aquellas fluctuaciones cuánticas. Por delante le quedaba unos 380.000 años de sopa de partículas y radiación. En realidad, más de lo último que de lo primero.

(Imagen a partir de “The Nuclear Wall Chart”, Nuclear Science Division del Lawrence Berkeley National Laboratory, fair use)

Estamos entrando en una nueva era que conocemos como la época electrodébil,[2] durante la que va culminando el proceso de bariogénesis[3] por el que la materia se va a decantar definitivamente frente a la antimateria, permitiendo el nacimiento de los quarks que con el tiempo acabarán formando los protones y los neutrones… en fin, la familia de los bariones.[4] Esta época terminará cuando culmine la separación de las interacciones electromagnética y nuclear débil en el tiempo 10-12 segundos. Pero veamos con un poco más de detalle qué pudo pasar a lo largo de esta fase

¿Cuál es el escenario teórico? El modelo estándar de partículas no es definitivo en el rango de energías en el que nos movemos en esta época. Podemos decir que hay un “océano” tremendo entre los niveles energéticos que acotan esta época, entre 1015 y 104 GeV. Océano en el que nos vamos a asomar en este capítulo para ver quién chapoteaba por ahí. El nivel de energía 104 GeV es la profundidad de campo “visual” que nos ha permitido el LHC, en donde hemos encontrado la última partícula postulada por el Modelo Estándar, el bosón de Higgs. Tan es así que los físicos teóricos le llaman “gran desierto”. Y están a la espera de la aparición de una nueva física que enlace el modelo estándar con las exigencias de la unificación GUT. Parece que el LHC ha dado todo lo que podía pero siguen las esperanzas puestas en que en su tope alto de energía nos revele algún partícula, alguna interacción, que concuerde y nos lleve de la mano a alguna predicción de teorías, como la de la supersimetría o de muchas otras que están en el limbo de la matemática. Como nos dice el premio Nobel de física Steven Weinberg: “Teníamos esperanza de que el LHC revelara algo realmente nuevo. No que solamente siguiese confirmando el Modelo Estándar, sino que encontrase signos de materia oscura o supersimetría o algo que nos llevase al siguiente gran paso en la física fundamental”.[5] Esas son las tibias esperanzas. Pero tenemos que avanzar en nuestra biografía y presuponer algo con visos de coherencia con el mundo testado.

¿Qué tipo de partículas podían ser posibles en el escenario de la época electrodébil? La teoría GUT nos sugiere que uno de sus principales legados pudo ser la aparición y consiguiente condensación de un verdadero “zoo” de partículas elementales que interactuaban entre ellas muy débilmente ¿quizás de materia oscura? Algunas de ellas, como los antiguos bosones X e Y del Campo Unificado se habrían descompuesto en algún tipo de quarks, en electrones y positrones, y en algún tipo de neutrinos, que moldearon el proceso de bariogénesis, el dominio de la materia frente a la antimateria, que ya comentamos en el capítulo ocho. Como consecuencia, en estos momentos ya tendríamos presentes en el plasma a algunas de las partículas elementales, quarks y leptones. Además de la “infinita” radiación existente comparada con la materia, los fotones, a los que incluso podríamos asimilar en cierto sentido los neutrinos moviéndose a velocidades relativistas. Realmente los fotones como tales aún no existían. Sí que en su lugar podríamos encontrar a una partícula “correcaminos” sin masa intermediadora del campo electrodébil de aquel momento que más tarde, gracias a la interacción con el campo de Higgs, generó a cuatro hijas: tres para el campo débil y nuestro conocido fotón para el electromagnético. Hablaremos de ello en otro capítulo. Y aunque no sea exactamente cierto para el momento que estamos analizando, al bosón electrodébil le anticiparemos el nombre generalizado de fotón.

Hay que pensar que gran parte de la población se estaría produciendo por choque de fotones, generándose cualquier partícula de las familias de quarks y leptones en parejas de materia-antimateria. No durarían mucho, ya que las partículas se aniquilarían rápidamente con sus antipartículas, generando de nuevo fotones. En todas ellas, dado el nivel energético medio entre 1024 y 1012 eV sobre el que estaba cabalgando el Universo, esto sería lo más común: paso de partículas a radiación y a la vez de radiación a partículas, en las proporciones precisas para que en el plasma hubiera lo que llamamos un equilibrio térmico, es decir, siempre el mismo número de partículas, siempre el mismo número de fotones, y ambas poblaciones iguales.

(RADIACIÓN)    fotón + fotón   ↔   partícula + antipartícula     (MATERIA)

Podemos también preguntarnos si en aquel marasmo de energético plasma pudiera haber otras cosas, como sub-partículas de estos quarks elementales. La respuesta es clara… no lo sabemos. Ni siquiera sabemos si existen ¿Y partículas más pesadas? ¿O compuestas por los elementales quarks? Había energía más que suficiente, aunque no tenemos evidencias de partículas súper-pesadas. Por ejemplo, como las que se postulan en la teoría de la supersimetría, coloquialmente conocida como SUSY,[6] que entre otras cosas dice que cada partícula fermión tiene una pareja bosón, y que a su vez cada bosón tiene una pareja, que es un fermión. Parejas que, o bien son ambas de materia, o bien ambas de antimateria. Si en aquel momento estaban participando en el equilibrio térmico, no tenemos forma de saberlo. El hecho de que no sepamos casi nada de nada, no quita que nos preguntemos también si quizás en la época electrodébil estuvieron presentes las partículas teóricas que componen la materia oscura, que forma casi el 30% de nuestro Universo.

La materia oscura es una realidad que podemos percibir por métodos indirectos, aunque no sabemos lo que es, qué la constituye. Algunos físicos a estas partículas “oscuras” las han bautizado con el nombre de wimp -weakly interacting massive particles-, entre las que parece podría colocarse el masivo neutralino, nombre genérico para una familia de superpartículas postuladas por la teoría SUSY que podrían tener una masa del orden de unos doscientos protones -200 GeV-, por lo que quizás las podríamos detectar en el LHC. Para el Universo de nuestros días quizás sea más popular entre los físicos las partículas agrupadas bajo el nombre cold dark matter, CDM, frías -cold- porque sus energías son bajas ¿quizás los esquivos neutrinos? Sean como sean y lo que sean, lo que es cierto es que en algún sitio del plasma de aquellos instantes tendría que encontrarse la materia oscura.

Pero no hace falta ir tan lejos en las nebulosas de la ignorancia, porque nos podemos preguntar por partículas que conocemos mejor, como son los bariones -el protón y el neutrón-, ambos con unas masas en reposo en el entorno de 109 eV (es decir, 1 GeV). ¿Estarían en aquel plasma? ¿o quizás… incluso podríamos ver núcleos atómicos? En ambos casos sí tenemos una respuesta: es imposible que este tipo de partículas o de conglomerados de partículas estuvieran ya presentes en el plasma ¿Por qué? Porque para que pudieran formarse a partir de las partículas más elementales, los quarks, tendríamos que tener a nuestras fuerzas fundamentales no solo operativas sino también con condiciones de entorno “amigables”. Y esto aún no era así, como vamos a ver al revisar en qué situación se encontraban los respectivos campos de las fuerzas.

Para empezar por lo fácil, [A] la gravedad siempre ha sido debilísima en comparación a la presión de la energía del momento, pero ahí estaba operativa desde el principio, aunque no influye directamente en la generación de partículas, pero si curvando el tejido espacio/temporal.

[B] La fuerza nuclear fuerte que creemos ya había aparecido como una entidad propia antes de la inflación, se encontraría dedicada a producir interacciones entre las partículas con carga de color:[7] quarks, antiquarks y su partícula intermediadora, el gluón. Los quarks aun no habían conseguido masa, faltaba aun un poco para que el campo de Higgs se condensase. Imaginaos las velocidades tan extremas que desarrollarían esas partículas con masa cero en reposo. La interacción fuerte es realmente potente en la cortísima distanciase dentro de un margen muy pequeño de 10-15 metros.[8] Más allá se difumina con gran rapidez. Al ser tal la energía cinética de las partículas de color en aquellos instantes, si las hubiera, tenemos que pensar que tendrían grandes dificultades en acercarse lo preciso durante un tiempo suficiente como para unirse y conformar “objetos” de color neutro. Tal vez los gluones, como partículas entonces asimilables a la radiación, generasen ocasionalmente pares quark/antiquark pero desaparecerían rápidamente formando nuevos gluones. A la postre se construía y deconstruía una borboteante sopa de quarks y gluones en un continuo baile conocida como el plasma quark-gluón. Por semejanza al plasma del mundo electromagnético en donde los iones campan a sus anchas sin interaccionar. Hablaremos más de ello en la entrada 12.

Había aun otra fuerza, [C] la electrodébil, que ya sabemos que en aquellos niveles energéticos fusionaba a dos conocidas por nosotros, como son la nuclear débil y el electromagnetismo. Seguían siendo indistinguibles y no sabemos muy bien cómo interactuaría su campo electrodébil con la materia. Hoy se manifiestan a través de la desintegración beta de los quarks y por la atracción-repulsión electromagnética entre cargas ¿electrodébiles? Para lo primero se necesitaban unos bosones intermediadores W y Z, con masa, y por aquel entonces aún no podía acudir en su ayuda el campo de Higgs -el responsable de las masas de las partículas elementales-, que no rompió simetrías hasta que el Universo llegó a niveles energéticos de alrededor de 102 GeV.

Para la segunda interacción, las reacciones entre cargas eléctricas, la dificultad estribaba en que la velocidad de las partículas cargadas no permitía establecer relaciones de proximidad suficientemente duraderas como para que la fuerza electromagnética, un poquito lenta ella, pudiera desperezarse y actuar. Pensad que la energía del electrón que orbita un protón en el hidrógeno es del orden de los 17 eV, y es el resultado de la atracción entre las cargas de ambas partículas. Nada que hacer a lo largo de una época que terminó con una energía del orden de 103 GeV. Así que nada de protones o neutrones, y mucho menos núcleos atómicos.

Para que sirva de recordatorio volvemos a presentar la nómina de partículas del modelo estándar con todos sus “sabores”. El valor de la energía que aparece al lado de cada uno es la equivalente a sus masas en reposo (E= mc2) aunque recordemos que durante aquella época  electrodébil tenían que ser cero pues aun quedaba lejana en el tiempo la influencia del campo de Higgs.

 

En resumen, más allá de lo que podamos teorizar con partículas exóticas masivas que pudieran aparecer -y desaparecer casi al instante- en episodios de inestabilidad cuántica, tenemos que imaginar más bien un plasma con partículas sin masa, que en aquel momento estaría constituido por todos los bosones intermediadores de fuerzas, más las partículas elementales bariónicas, como los quarks y la pareja de leptones formado por el electrón y el ligerísimo neutrino. Todos ellos serían los personajes del mundo electrodébil, cuyos volúmenes de población seguían una dinámica.

Recordemos que el Cosmos estaba en expansión, circunstancia que hacía que la radiación existente se fuera difuminando en un volumen cada vez mayor y además sus partículas -los fotones-, debido a la propia expansión del tejido soporte iban también “estirando” la longitud de sus ondas. Lo cual implicaba que las partículas de la radiación eran cada vez menos energéticas dentro de un Universo cada vez más frío.[9] A las reacciones de aniquilación materia-antimateria la circunstancia puede que le fuera completamente indiferente y seguirían generando incansables nuevas partículas de radiación. Sin embargo, si miramos en el otro sentido de la reacción, la de la creación de pares materia-antimateria por choque de radiación, tenemos que pensar que progresivamente se iría ralentizando al ser los fotones cada vez menos energéticos y, por tanto, con menos energía para transformarla en materia. Por ello, el equilibrio térmico se iba progresivamente deshaciendo a favor de los fotones. En resumen, se estaba viviendo una progresiva marcha hacia una situación de más fotones y comparativamente menos partículas de materia. Esto lo podemos observar a día de hoy, de forma que lo que realmente contabilizamos en el Cosmos es que hay mil millones de fotones por cada protón-neutrón, que además son prácticamente todos de materia salvo alguno de antimateria.

¿Sólo alguno? Ya sabemos por los dos capítulos anteriores, el 7 y el 8, que por alguna falta de simetría en la desintegración de las partículas X e Y, o las que hubiera en la población del momento, cuando el Universo tenía temperaturas muy altas se produjo un desequilibrio entra bariones y antibariones, de forma que por cada 109 de esas parejas tenía que haber UN “barión”. Aunque quizás se “escapara” de la debacle gracias a la expansión acelerada. Ella hizo que alguna de las parejas materia-antimateria que se iban creando se separaran con tal rapidez que les fuera imposible reencontrarse y contrarrestarse. De hecho, hay teorías que conjeturan con la hipótesis de que fuera del universo observable por nosotros podría encontrarse una “burbuja” de antimateria, un universo complementario al nuestro. En nuestra época aún se está produciendo antimateria en diversos procesos físicos como, por ejemplo, en los choques de los rayos cósmicos con nuestra atmósfera terrestre, aunque eso se trataría de antimateria “nueva”, nada que ver con la posible primigenia.

Todo lo anterior intenta dibujar el cuadro de una época de tránsito en la que se iba perfilando la creación de los bariones y el próximo acomodo de las fuerzas fundamentales. Con esto cerramos un intenso periodo de la vida de nuestro Universo, que fue extremadamente corto, entre el tiempo 10-32 segundos a 10-12 segundos desde su inicio. Este final del periodo va a coincidir con el momento en que la fuerza electrodébil rompa su simetría -hablaremos de ello en el siguiente capítulo- comenzando a actuar como fuerzas diferenciadas el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil. Es el momento energético en que pudo condensarse ya el bosón de Higgs, que hoy sabemos que existe gracias a que lo hemos detectado a través de los experimentos en el LHC. Aquella naranja de unos 10 centímetros de diámetro del inicio habrá crecido en un factor de 1011. En su interior, un plasma de fermiones elementales del tipo quark, electrón, neutrino, muon y tauón, así como bosones del tipo gluon o el específico del campo electrodébil ya que en aquellas condiciones el fotón y los bosones W y Z debían ser indistinguibles, los tres sin masa y moviéndose a la velocidad de la luz ¡la radiación del momento! Todas esas partículas con sus correspondientes antipartículas, que iban siendo cada vez más residuales. Y aunque no sabemos nada de ellas, también tenían que estar presentes las partículas que conforman la materia oscura, tales como los teóricos axiones o los neutralinos.[10]

Vamos a dejar ya esta entrada para continuar en la siguiente con la historia de un Universo que era un mundo de plasma dominado por una energética y abundante radiación, que no dejaba tranquilos ni a los campos de materia ni a los de fuerzas. Un mundo en continua expansión y, por tanto, enfriamiento, con un comportamiento físico semejante a un mundo de gas opaco, en donde la “luz” -la radiación- no era libre y en donde las perturbaciones de la materia se comportaban como ondas sonoras, aunque con frecuencias que quizás ningún hombre, si allí hubiera podido introducir un micrófono, hubiera sido capaz de percibir con su oído y su cerebro. Pero las había, ondas sonoras inherentes a los flujos de compresión-expansión que experimentaba el plasma. Físicamente un fenómeno idéntico al que experimentamos cuando un foco sonoro emisor produce ondas en el medio físico, el gas atmosférico, que se transmiten por él hasta llegar a nuestros oídos receptores. Aunque me estoy adelantando… dejemos esto como un anuncio de un tema que desarrollaremos en otra entrada, cuando estemos sobrepasando la frontera de los 380.000 años. Nos leemos.

 

  1. Podéis repasar el tema releyendo la cuarta entrada de esta serie. []
  2. Recordemos cómo ya se había roto la simetría GUT, separándose la interacción nuclear fuerte de la interacción electrodébil. De ahí el nombre. []
  3. Recordemos que este concepto se desarrolló en la entrada anterior y que, de forma diferente a lo que parece sugerir el nombre, se trata del proceso mediante el cual la materia dominó a la antimateria. []
  4. Recuerdo aquí otra vez lo útil de leer la serie de El Tamiz “Esas maravillosas partículas”, o bien releer la entrada número 7 de esta serie. []
  5. Del libro de Sabine Hossenfelder “Perdidos en las matemáticas”, pag. 147, colección Ariel, 2019, editorial Planeta. []
  6. Si tenéis más curiosidad sobre este tema de la supersimetría podéis leer este artículo de Cuentos Cuánticos o éste otro más técnico, aunque en un buen porcentaje comprensible para los neófitos, aparecido en el blogNaukas. []
  7. Así como en el campo electromagnético existe la cualidad carga eléctrica y en el gravitatorio la cualidad masa, en el campo fuerte se habla de la carga de color. Puede ser de tres tipos, rojo, verde y azul y su regla de combinación exige un resultado de carga de color “neutra”. []
  8. Al ser el gluon partícula con carga de color también interaccionan entre ellos. Es decir que cuando entre dos quarks se lanzan un gluón, este mismo gluón lanza más gluones, que lanzan más gluones, que lanzan más gluones… y así que la interacción nuclear fuerte es muy intensa dentro de un alcance cortísimo: no puede hacerse sentir en las grandes distancias, ella misma no se deja. []
  9. La energía implícita en una onda es directamente proporcional a su frecuencia y, en consonancia, inversamente proporcional a su longitud de onda. []
  10. La existencia de la materia oscura desde los inicios del Universo es algo incuestionable. No sólo porque ahora experimentemos sus efectos gravitatorios en las estrellas y galaxias sino por algo más sutil. Durante toda la época del plasma quark-gluón, e incluso posterior -hasta la recombinación, capítulo 17, la materia ordinaria estaba fuertemente acoplada con la radiación lo que le confería una densidad muy homogénea y suave. Si no hubiera nada más que eso esa densidad suave habría pervivido a lo largo de los eones haciendo imposible la generación de concentraciones gravitatorias y, por tanto, cualquiera de las especiales estructuras de materia -cúmulos, galaxias, estrellas…- que hoy observamos en el Universo. En aquellos momentos fundacionales la existencia de la materia oscura que no estaba acoplada a la radiación vino a nuestro rescate. []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

{ 4 } Comentarios

  1. Gravatar Gopal | 26/06/2017 at 02:55 | Permalink

    Pero si en un ciclotrón se producen positrones , y en el universo hay millones de procesos y lugares altamente energéticos donde naturalmente se producen partículas de antimateria, por qué se considera tan misteriosa su existencia ?

  2. Gravatar jreguart | 26/06/2017 at 04:19 | Permalink

    Hola Gopal,

    evidentemente la antimateria no es sorprendente por ella misma. Como tu dices la hemos observado y es parte de lo que predice el modelo estándar. Lo que sorprende a los físicos es que si la generación de partículas es por pares materia-antimateria, en teoría se tendría que haber aniquilado completamente toda la materia al interactuar con sus pares de toda la antimateria, en una explosión de fotones. Y sin embargo observamos a nuestro mundo formado por materia ¿cómo es que no se ha aniquilado toda la materia? ¿dónde está su contraparte de antimateria? ¿por qué parece que en nuestra realidad hay más materia que antimateria? Esto es lo sorprendente.

  3. Gravatar gopal | 26/06/2017 at 08:32 | Permalink

    Jreguart , “Ya sabemos por las dos entradas anteriores de esta serie, las número 7 y 8, que la falta de simetría en la desintegración de las partículas X e Y cuando el Universo tenía temperaturas muy altas produjo el desequilibrio entre bariones y antibariones, de forma que por cada 10 elevado a 9 parejas de “bariones” y de “antibariones” -y 10 elevado a 9 de fotones-, tenía que haber UN “barión” más”… no es esta la razón por la cual prevaleció la materia? . o que no estoy entendiendo ?

  4. Gravatar jreguart | 26/06/2017 at 09:37 | Permalink

    Hola Gopal,

    sí, es como tu dices. Lo único que te quería transmitir con el comentario anterior es que los cosmólogos siempre se han hecho la pregunta ésta de por qué nuestro mundo está sólo hecho de materia. Y realmente no hay una teoría contrastada de ese porqué. Se supone que pudo pasar tal como lo explicaba en la entrada anterior, y siguiendo algo parecido a los postulados de Sájarov. Creemos que sería imprescindible episodios de rotura de la simetría CP, rotura que parece es posible ya que se ha observado que sucede con algunas partículas… aunque tampoco estamos demasiado seguros de que esas experiencias podrían explicar la existencia de la antimateria.

    En resumen, sabemos que la antimateria es algo real porque, entre otras cosas, la hemos “fabricado” (es más, se utiliza en cosas tan cotidianas como las tomografías por emisión de positrones); tenemos teorías para explicar el porqué ha desaparecido de nuestro mundo físico habitual… pero son sólo teorías no comprobables hoy por hoy. Pero nos gusta cavilar en cómo pudieron ser las cosas. Y a los “premios Nobel” se les ocurren ideas que bien pudieran ser… no contradicen ni a nuestras teorías mejor contrastadas ni a lo que experimentamos. No hay más. Piensa que estamos moviéndonos en una época del Universo con unas condiciones energéticas que no podemos testar directamente, nuestra tecnología no da para tanto.

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