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Biografía del Universo 10: La liberación de la fuerza débil I




de 10-12 a 10-6 segundos desde el inicio

Llegó el momento t=10-12 segundos desde el principio. Comienza la época electrodébil. Espero que al final de esta entrada de la serie sobre la Biografía del Universo se entienda el porqué se llama así. En estos momentos de la historia del Cosmos nuestro personaje había estirado sus estructuras desde la época del recalentamiento en un factor de 1010. Aunque el tamaño total del Universo es un arcano, podemos hacer uso de la imaginación y pensar que la naranja que surgió de la inflación pudo pasar a ser una “esfera” de unos mil millones de kilómetros: el campo de juego en aquellos tiempos cabría entre el Sol y Júpiter. En esta inmensidad pongamos una cabeza de alfiler de medio milímetro de diámetro ¿lo véis? pues eso que creéis ver es justamente lo que ocupaba el universo observable, habían pasado 10-12 segundos y la luz sólo podía haberse desplazado el radio de esta esferilla.[1]  Aquella pequeña naranja que fue en el momento 10-32 segundos ahora había crecido y, aunque menos que entonces, aún seguía siendo un mundo denso, muy denso, 1025 veces más denso que el agua de nuestras piscinas.

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

Habíamos quedado al final de la entrada anterior que los habitantes de tan apretado barrio eran los bosones, tales como los gravitacionales gravitones -si realmente existen, porque aún no los hemos visto-, los electromagnéticos fotones y los gluones y bosones W y Z de las fuerzas nucleares.[2] También revoloteaban por allí los bosones de Higgs, no sabemos si de cuatro tipos o quizá más: todo depende de la imaginación de los físicos matemáticos. También estaban presentes las “partículas” de la materia, los “fermionosos” quarks, electrones, neutrinos y alguno más. Y no me gustaría olvidarme que nuestro mundo es como es gracias a la materia oscura, así que tenemos que añadir al cóctel las posibles partículas asociadas, quizás los axiones o quizás los neutralinos, aunque no tengamos ni idea de lo que son.

A excepción de los bosones de Higgs, todos tenían una característica que los hacía diferentes a como los vemos en nuestros días: no tenían masa, o quizás muy poca, del orden de la de los neutrinos. Lo cual quiere decir, como nos ilustró Einstein, que se desplazaban a la velocidad de la luz o muy próxima a ella. Así había sido desde el principio.

Más o menos en estos momentos cósmicos sucedió algo decisivo para nuestro mundo tal como lo observamos, tal como vemos de qué forma somos realmente nosotros. A energías medias por partícula de 103 GeV y con una temperatura de 1015K, el campo de Higgs condensó, rompiendo una vez más la simetría del Universo: el campo electrodébil se separó en dos y generó en el proceso al campo electromagnético y al nuclear débil, que hasta entonces se habían manifestado como una misma cosa. Lo había predicho el Modelo Estándar para energías de unos 246 GeV.

¿Qué quiere decir que se separaron? ¿Qué es lo que pasó? El campo de Higgs que se acababa de condensar[3] alcanzó la posibilidad de excitarse en su forma fundamental, lo que era lo mismo que generar un bosón de Higgs en el nivel de 125 GeV, al que ya hemos detectado en el Large Hadron Collider (LHC). Tenemos que pensar que al unísono comenzaría a acoplarse con el campo electrodébil, lo que hizo que de los cuatro bosones que “históricamente” se generaban a altas energías en las excitaciones de este último campo, X1, X2, X3 y B,[4] adquirieran masa tres de ellos, mientras el cuarto siguió con el mismo carácter de “cero masa” que había tenido hasta entonces. Gracias a estos bosones X, a los que llamaremos a partir de este momento en que adquieren masa bosones W+, W- y Z0, la fuerza nuclear débil pudo comenzar a interactuar con los campos de partículas elementales: quarks, electrones, etc., mientras que la fuerza electromagnética se quedó para ella con el bosón B, sin masa, al que realmente a partir de este momento se le puede llamar propiamente fotón.

Veremos en las siguientes entradas lo trascendental que fue este cambio de rumbo. El bosón gluón intermediador de la fuerza nuclear fuerte podrá unir quarks y así generar partículas tan importantes como el protón o el neutrón. Los bosones W y Z podrán apoyar las transmutaciones de unas partículas en otras, como por ejemplo de protones a neutrones o viceversa, o desintegrar a los neutrones, reacciones que fueron decisivas en el momento en que se fijaba la densidad de distribución de los elementos químicos en el Universo… o en los procesos de fusión nuclear en el interior de las estrellas. Mientras que el fotón podrá intermediar por sí solo entre cargas eléctricas, permitiendo la creación de átomos… ¡¡¿Fue importante el momento o no?!!

Una vez presentado el argumento, reflexionemos un poco. Cosas como las mencionadas en el párrafo anterior ya surgían como consecuencia del propio Modelo Estándar pero, como ya hemos comentado, se precisaba de la existencia de un campo muy especial, hermano quizás de nuestro conocido inflatón: el campo de Higgs. ¿Qué le pasó a este último cuando la energía promedio de las partículas del Universo había descendido hasta los 103 GeV?

¡Esta figura me suena!, dirás. Y tienes toda la razón. Viste una casi igual en la entrada número cuatro, en la que hablábamos del campo inflatón. La diferencia está en que ahora en vez de leer inflatón estás leyendo Higgs. Si, la base teórica de los dos funciona igual.

El campo de Higgs permeaba desde siempre toda la extensión del espacio-tiempo. A medida que iba descendiendo la temperatura del Cosmos, la curva del campo Higgs, la que dibuja la correlación entre el propio valor del campo y el de su energía, atemperaba su forma dibujando con el transcurrir del tiempo una especie de “aleteo”, como hemos intentado dibujar en la superposición de instantáneas fijas que es la figura anterior, en donde la flecha roja es la del tiempo. Y esto era lo mismo en todos y cada uno de los puntos del homogéneo Universo. A altas temperaturas, la curva identitaria del campo se ajustaba bastante bien a una parábola. En estas condiciones el campo de Higgs se habría situado en el fondo de mínima energía de esta parábola, en donde se encontraba en una posición relativamente precaria: con el paso del tiempo, estar en este mínimo energético, E0, no podía ser una situación muy estable, ya que este valor no era el que marcaba la referencia de energía cero para el resto del Universo, pues había niveles de energía menores. Al ir bajando aún más la temperatura, la curva característica se fue modificando hacia otro tipo de curvas de cuarto grado, deslizando su contorno de forma que, a medida que transcurría el tiempo, se posibilitaban nuevos puntos de mínima energía, cada vez menor. Todo ello hacía que mantenerse en el punto Ede energía no-cero, fuera cada vez más difícil para el campo. En ese punto (0, E0) el campo de Higgs se encontraba, a medida que transcurría la expansión del Universo, en una situación que progresivamente era más inestable. Paulatinamente iba creciendo el termodinámico “impulso”[5] a colocar al campo en estos nuevos mínimos de energía, fuera del pozo del falso vacío en el que se había instalado desde los inicios. Como le había sucedido al campo inflatón hacía muchos electronvoltios, aunque realmente muy, muy poco tiempo, nuestro campo de Higgs inició en todos los puntos del Universo homogéneo e isotrópico una excursión hacia el verdadero mínimo de energía. Hasta que llegó al nuevo estado de equilibrio en un vacío real de energía nula con un valor de campo H0. En todos los puntos del espacio-tiempo dejó de tener un valor promedio cero para establecerse en todos los puntos del espacio-tiempo un valor H0.

¿Por qué pasan este tipo de cosas? Voy a intentar explicarlo en los párrafos que vienen, una digresión teórica referente a lo que hemos dicho que pasó con el campo de Higgs. Una explicación muy simple, espantosamente simple aunque creo que clara, de por qué creemos que sucede esta dinámica en algún tipo de campo.[6]

Aunque ahora que lo pienso… llegado a este punto del escrito observo que lo que acabo de prometer me va a meter en un tinglado un poco largo, por lo que será fácil que se alargue la entrada más de lo que parece juicioso y soportable… ¡Una vez más! Así que como creo que éste puede ser un buen momento -o al menos el menos malo- para la interrupción del transcurso de la argumentación, propongo hacer un parada técnica para recuperar el hilo en la próxima entrada. Allí continuaré con esa “espantosamente simple” explicación. Hasta entonces.

  1. Como universo observable entendemos a una región parcial del Universo total, una esfera con nosotros de observadores en el centro en la que la luz emitida por los puntos frontera más exteriores ha tenido tiempo de llegar hasta el centro de la esfera. Lo que quiere decir que estos puntos frontera se encuentran a una distancia tiempo-luz de nosotros igual a la edad del Universo en el momento. Hoy su edad es de 13.800 millones de años-luz, que ampliados por el efecto de la expansión equivalen a unos 5×1023 kilómetros de radio de la esfera observable. El resto del Universo es inalcanzable. []
  2. Realmente en esta época los fotones y los bosones W y Z eran indistinguibles. Habría que esperar todavía un poco a que el campo de Higgs hiciera sus diabluras y los diferenciara. []
  3. Lo de condensar es otra pequeña alegoría de que la interacción de Higgs comenzaba a ser una realidad. []
  4. Aclaración: estos bosones X no tienen que ver con aquellos del campo de la gran unificación []
  5. A este impulso se le conoce como el “principio de energía mínima”, que esencialmente declara que para un sistema cerrado, sin que los parámetros externos -como el volumen- varíen, la energía interna disminuirá y se acercará en el equilibrio a un valor mínimo. []
  6. Si queréis un poco mas de profundidad entendible os recomiendo que leáis estas dos entradas del blog “Of particular significance”. La primera, general sobre la interactuación entre campos relativistas enlazados y la segunda, que se apoya en la anterior, para explicar matemáticamente cómo Higgs induce masa en otros campos que en principio no tenían. []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

{ 7 } Comentarios

  1. Gravatar galo | 11/07/2017 at 10:51 | Permalink

    Jreguart que te parecen las críticas al carácter científico de la cosmología física, por su carencia de verificación experimental y su carácter de enunciados no falsables.

  2. Gravatar jreguart | 12/07/2017 at 07:23 | Permalink

    Hola Galo,

    parece que ayer leímos el artículo de Ruiz Elvira en El Mundo “¿Por qué el ‘Big Bang’ no es una cuestión científica?” (http://www.elmundo.es/blogs/elmundo/elporquedelascosas/2017/07/09/por-que-el-big-bang-no-es-una-cuestion.html). No comparto para nada lo que en él se escribe, muy relacionado con lo que tu preguntas, “las críticas al carácter científico de la cosmología física, por su carencia de verificación experimental y su carácter de enunciados no falsables“.. He añadido aquí el enlace al artículo más que nada porque leyendo los comentarios se puede entender lo que es el espíritu que realmente anima a los científicos.

    La cosmología, tal como la concebimos en sus primeros minutos, evidentemente no está al alcance de nuestra experimentación ni se puede someter a falsabilidad. Aún nos falta mucho camino de conocimiento para ello. Pero ¡qué diantre! encaja como anillo al dedo a lo que sí vemos y experimentamos. Eso es un poderoso argumento que se aproxima a la comprobación. La cosmología moderna es un cuerpo de conocimiento bastante extenso y muy sólido. Lo cual no lo hace automáticamente una realidad. Pero el camino se hace andando y en esto estamos: andando y aprendiendo mientras lo hacemos. Así que sigamos en ello que es ni más ni menos que la senda del descubrimiento científico.

  3. Gravatar gerard33 | 13/07/2017 at 03:45 | Permalink

    siempre se ha sabido que la experiencia no es suficiente para llegar a las zonas más elevadas de la abstracción ; para ello los científicos teóricos están obligados a guiarse por consideraciones puramente matemáticas.

  4. Gravatar jreguart | 13/07/2017 at 11:08 | Permalink

    Absolutamente de acuerdo amigo Gerard33. Cuánto nos hemos enriquecido en conocimiento a partir del trabajo de este mundo teórico. Siempre he pensado que las matemáticas son como nuestro más abstracto y profundo telescopio.

  5. Gravatar Gopal | 13/07/2017 at 01:29 | Permalink

    No debemos olvidar que no podemos acceder al estudio por observación de los instantes iniciales del universo, dado que en esas épocas la radiación aún no se había desacoplado de la materia y el universo no era aún transparente . A partir de la emisión de radiación de fondo cósmico todo es distinto , y éste suceso si que marca una frontera clara entre la fisica teórica y la experimental . La radiación nos ayuda con la comprensión de las distancias cósmicas , la naturaleza intrínseca de los objetos a observar , a ubicarnos en el tiempo y el espacio donde se desarrollan los sucesos cósmicos ; por lo tanto todo lo anterior a ese momento frontera es muy complejo de explicar sin ninguna evidencia , y no pasa de ser por ello un admirable y sofisticado constructo matemático. Samuel Warren Carey manifestaba que «los matemáticos sueñan inocuas y sofisticadas fantasías, y los nuevos cosmólogos las compran como si fuera un terreno real».

  6. Gravatar jreguart | 14/07/2017 at 07:37 | Permalink

    Hola Gopal,

    no sé si es tan “duro” como tu lo propones. Creo que, a pesar de que no hay evidencias directas de lo que pasó en el Universo en los primeros 380.000 años de su vida, sí podemos tener casi la absoluta certeza de que somos capaces de reproducirlo tal como era después de los 10*-12 segundos. Me refiero a los aceleradores de partículas y a sus experiencias que se ajustan a la realidad.

    La frase de Samuel Warren Carey que tú nos propones no deja de ser una opinión más. No me atrevo a juzgar el sentido con que la dijo, aunque me deja mal sabor de boca ya que trivializa -o quizás ridiculiza- el trabajo de tantos físicos, matemáticos y cosmólogos que con el uso de su imaginación nos han regalado tanto beneficio para los humanos. Y no sólo de conocimiento cosmológico. Newton nos regaló su fantasía de la gravedad entre los cuerpos y no supo por qué sucedía. Más tarde otros que compraron sus inócuas y sofisticadas fantasías, añadieron más inócuas y sofisticadas fantasías. Y así la humanidad vive en un mundo bastante diferente y mejor que el de hace 300 años.

  7. Gravatar Gerard33 | 14/07/2017 at 11:23 | Permalink

    Yo tampoco estoy de acuerdo con lo que afirma gopal , sin ir mas lejos , Einstein, como científico antiinductivista, manifestaba que la elaboración de complicadas ecuaciones no puede partir de la observación empírica, por extensa que ésta sea, y que una teoría puede ser verificada por la experiencia, pero no hay camino posible de la experiencia empírica a la construcción teórica . En este sentido, argumentaba que el proceso inductivo era la base de la construcción de leyes generales , pero que una vez una ciencia sobrepasaba su estadio primitivo, la intuición y el pensamiento deductivo se tornaban imprescindibles para construir los grandes sistemas conceptuales.

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