de 10^-6 segundos a 1 segundo desde el inicio

Recordamos de la entrada anterior de esta serie que en el tiempo t=10^-6 segundos después de su inicio el Universo estaba formado por un medio al que llamamos plasma quark-gluón, aunque realmente había allí más partículas compañeras de viaje. Este plasma comienza a ser familiar para los físicos, puesto que ya ha sido recreado en experimentos realizados en algún acelerador de partículas como el del CERN.^[1] Lo curioso del caso es que estos experimentos nos dicen que, más que a un gas, el plasma quark-gluón se asemeja a un líquido apenas viscoso, a pesar de que la teoría nos dice que la densidad es tremenda, puesto que corresponde a 10¹⁷ veces la del agua. En este momento de la vida del Universo se ha alcanzado un nivel energético que se encuentra en el entorno de 1 GeV, lo que equivale a una temperatura de crucero de 10¹³K.

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

Cronómetro 0: tiempo igual a 10^-6 segundos. Va a comenzar la transición de quarks a hadrones. La nómina de estos últimos, que son partículas que están formadas por dos o tres quarks, está compuesta por el  protón, el neutrón y algún que otro bosón raro, entre los que se encuentra el mesón pión, bosones que tienen su importancia en la fortaleza de los núcleos atómicos. Los quarks son unas partículas elementales que, por lo que sabemos hoy en día, creemos que no están compuestas de otras más pequeñas.^[2]

Los conocemos de seis “sabores” -se suele usar esta terminología-, seis quarks distintos emparejados de dos en dos. La masa de tres de ellos supera la energía promedio del momento, lo cual quiere decir que su única oportunidad de aparecer en escena es como producto en alguna reacción “ad-hoc” entre partículas o en una fluctuación cuántica de su campo, para luego desaparecer en un plazo brevísimo como corresponde a partículas pesadas. Cosas de la incertidumbre cuántica, ya sabemos. Los otros tres, ademas de estos caminos para nacer, y al tener una masa inferior a la energía del momento de 1 GeV, aún se generaban en parejas quark-antiquark por el choque de los fotones que en aquella época se movían con ese nivel de energía.

ESTA NOTA ES PARA ENCUADRAR EL MARASMO DE PARTÍCULAS QUE HE SOLTADO EN EL PÁRRAFO ANTERIOR (y que acompaña al esquema de abajo): Existen dos grandes familias de partículas, los bosones mediadores de las interacciones -las fuerzas- entre campos y los fermiones, el resto, que formarán la materia. En los fermiones hay otras dos grandes familias, la de las partículas formadas por quarks -los hadrones- y el resto, los leptones. Los mesones son una cosa rara, ya que, a pesar de que caen en la línea de la materia -bajo los quarks-, realmente actúan como bosones intermediadores. Entre los mesones se encuentra el pión, personaje que sale en nuestra serie.^[3]

(Imagen: simplificada a partir de la serie “Esas maravillosas partículas”, El Tamiz, CC)

En estos momentos la fuerza nuclear fuerte se sintió con aptitudes para comenzar a ser protagonista principal, lo que llevó a cabo con la ayuda de su excitación fundamental, el gluón,^[4] que comenzó a “pegar” quarks, posiblemente lo tuviera más fácil con los ups y downs, ya que los otros cuatro, más masivos ellos, por los motivos que hemos comentado ya en otras entradas,^[5] desaparecían en un tiempo muy corto, a veces menor del que necesita el gluón para hacerlos interactuar, es decir, se esfumaban en su incertidumbre cuántica antes de poder echarles el lazo.

La fuerza nuclear fuerte presenta unas características realmente curiosas. Porque lo mismo engendra bariones como permite que esos queden agrupados en los núcleos atómicos en contra de lo que parecería imponer la fuerza electromagnética. A veces se comenta que cuando junta quarks habría que llamarla fuerza de color mientras que cuando trabaja para que no se desbaraten los núcleos habría que bautizarla como fuerza fuerte residual. Y es realmente fuerte en la corta distancia, en el entorno de los 10^-15 metros que es más o menos el tamaño de un núcleo atómico.  Por lo que está perfectamente capacitada para ejercer su pegamento dentro de ellos. Por debajo de esta distancia, es decir, dentro de un protón o un neutrón la fuerza de color intermediada por los gluones parece ejercer aún una mayor interacción de modo que los quarks encuentran casi imposible separarse, lo que se conoce como confinamiento de los quarkscosa que explicamos con más detalle a continuación.^[6]

Al disponer los gluones de carga de color también interaccionan entre ellos mismos. Es decir que cuando entre dos quarks se lanzan un gluon, este mismo gluon lanza más gluones, que lanzan más gluones, que lanzan más gluones… por lo que la interacción nuclear fuerte efectivamente es muy intensa dentro de un alcance cortísimo, de forma que, como contrapartida, no puede hacerse sentir en mayores distancias ya que ella misma no se deja. Si la tendencia de un quark, por su propia dinámica o porque le hemos dado un “empujón”, es la de alejarse de los emparejamientos habituales dentro del barión en un intento de “independizarse”, el amasijo de gluones enlazantes alcanza una energía tal que, antes de que se pueda conseguir la de rotura, se alcanza el nivel energético necesario para crear nuevos pares quark/antiquark. Cualquier esfuerzo por meter más y más energía en el sistema tiene como resultado exclusivo una “lluvia” de parejas quark/antiquark. Y eso pasa por que termodinámicamente es más fácil relajar esa energía aportada produciendo nuevos pares y seguir manteniendo el pegamento gluónico sobre el escapista, con la consecuencia de que va a seguir junto a sus parejas o tríos de partida casi para siempre. Es decir, la tendencia natural de quarks y gluones es permanecer enlazados y confinados en sus bariones.

La figura anterior es una explicación sencilla e intuitiva de lo dicho en el texto. El ejemplo corresponde al caso de un protón, con dos quarks up de distinto color y uno down, que estarían enlazados por gluones que aquí no están representados pero los podemos imaginar. Un quark up intenta separarse, por la causa que sea, de la agrupación a tres generando un tremendo potencial en el campo fuerte, una energética tensión de cortísima distancia en la “bolsa de confinamiento”, energía que termodinámicamente resulta más espontáneo el que se utilice para producir pares de quark/antiquark, permaneciendo así el quark up en su enlace original como se ve a la derecha del esquema.

Y eso es lo que empezó a suceder en aquella época durante la que la  actividad de la fuerza nuclear fuerte fue muy intensa, de forma que creemos que a los 10^-3 segundos casi no quedaban ya quarks libres: estaban confinados principalmente en neutrones y protones. En la figura siguiente se puede ver cómo cada uno de ellos está formado por un trío particular de quarks y tres gluones que les hacen de pegamento. Hay que decir aquí que los protones y neutrones no presentan un aspecto tan plácido como podría deducirse de la figura. Ambos tienen una masa del orden de 1 GeV y como hemos apuntado, a vista de pájaro están formados por tres quarks de 4.10^-3 GeV cada uno y por tres gluones sin masa. Evidentemente, no cuadran los números de la cantidad de masa en juego. El truco está en que en las pequeñas parcelas del mundo cuántico, los dominios espaciales internos de un protón o de un neutrón, se generan y desaparecen también millones de partículas, un mar de quarks y gluones con velocidades relativistas, interaccionando entre ellos gracias a la fuerza nuclear fuerte o, incluso, naciendo y muriendo como resultado de sus choques. Todo ello aporta energía, la energía necesaria para cuadrar el balance másico de protones y neutrones hasta el experimentable de 1 GeV.^[7]

Esquema de las “interioridades” del protón y el neutrón, formados aparentemente cada uno por tres quarks.

El nivel energético medio del momento, 1 GeV, era similar a la masa en reposo de estas partículas compuestas, por lo que la radiación existente apenas los desestabilizaría pues no tenía suficiente energía como para “romper” sus estructuras. Eso sí, los quarks y antiquarks existentes habían creado hadrones y antihadrones, los cuales rápidamente degenerarían en reacciones de aniquilación de sus quarks y sus antiquarks que dejaron multitud de otras partículas elementales.^[8] Como podemos imaginar el resultado final fue que la materia de hadrones seguía dominando sobre su antimateria.

Ciertamente debían quedar muy pocos de los quarks libres del plasma inicial – habían casi desaparecido a los 10^-3 segundos gracias a este proceso de confinamiento en hadrones- pero aún seguían allí una gran multitud de electrones y neutrinos. Podemos contabilizar la población de ambos como uno por cada partícula de radiación. Los electrones, al interactuar con el campo electromagnético, convivían con la radiación en equilibrio térmico: al no haberse alcanzado aún su temperatura de condensación -sus masas en reposo son muy pequeñas- hay que pensar que los procesos de creación a partir de la radiación existente y los de destrucción entre sus pares partícula-antipartícula, se producirían sin trabas, manteniendo las poblaciones estables. Sin embargo, no sucedía lo mismo con los neutrinos, que no interactúan con la radiación. Las dos reacciones que siguen serían algunas de las que en aquellos momentos describirían las interrelaciones de las tres partículas elementales libres existentes: fotón, neutrino y electrón.

Fotón(es)  ↔  p⁺ + e^-    [positrón⁺ + electrón^-]

En el sentido de izquierda a derecha esta reacción iría decayendo en número a medida que la energía se iba aproximando en su enfriamiento hacia los 0,5 MeV, equivalente energético a las masas de electrón y el positrón, nivel a partir del cual ya era muy difícil crear este tipo de partículas a partir de la radiación. En el sentido derecha a izquierda duraría hasta que materia y antimateria se hubieran anulado mutuamente.^[9] Aunque esto último sucedió más o menos a los 10 segundos de vida del Universo.

En las aniquilaciones de electrones no sólo se creaban nuevos fotones, sino también neutrinos, gracias a la fuerza nuclear débil, según el siguiente equilibrio:

p⁺ + e^-  ↔  neutrino_e + antineutrino_e

Esta última reacción, que habría contribuido desde la salida de la inflación exponencial a rellenar el Universo con los esquivos neutrinos, era muy efectiva por encima del MeV… ¡y en esta fase el valor de la energía promedio estaba situada por encima de este límite en un factor de diez a mil veces! Aunque tenemos que pensar que estaría perdiendo progresivamente mucha eficacia y de hecho desaparecerá más o menos en la frontera del segundo -1 MeV- tras el inicio del Universo.

Todo parecía indicar que se estaba a medio camino hacia el momento de la culminación de lo que se había pergeñado durante la época de la bariogénesis, con el triunfo final de la materia frente a la antimateria y el nuevo equilibrio de la balanza de partículas, que iba aproximándose al ratio de un barión superviviente por cada 10⁹ fotones. Los electrones, como hemos dicho, aún seguían en equilibrio térmico con la radiación y habría que esperar un poco más para que estas partículas quedaran sólo en su forma de materia -como contrario a su antimateria-. Cuando se llegue a ese momento volveremos a contabilizar un electrón por cada protón por aquello de la neutralidad de carga en el Universo. Es decir, un protón y un electrón por cada 10⁹ fotones -y neutrinos-. Pero eso será más tarde.

Ahora ya sabemos que en la fase en que nos encontramos el plasma quark-gluón inicial se había transformado sustancialmente. Las cuatro fuerzas fundamentales estaban ya presentes de forma independiente, actuando en un plasma que estaba formado principalmente por protones y neutrones, electrones y una intensa radiación de fotones y neutrinos. Una vez más adopto la licencia de llamar a los neutrinos radiación, acepción que se aplica normalmente a los fotones. Pero su poca masa, su velocidad relativista de desplazamiento por el Universo y su participación clave en las dispersiones de partículas en las que interviene la fuerza débil me inducen el imaginar un perfil muy semejante, aunque evidentemente no igual. Por completar la nómina de la vecindad no nos podemos olvidar de que por algún lado andarían también los neutralinos, o algo así: las fantasmagóricas almas de la materia oscura.

Dediquémosles un poco más de tiempo a los neutrinos, unas partículas muy esquivas. Hasta hace poco se creía que no tenían masa, aunque ahora sabemos que realmente ofrecen a la gravedad una muy ligera interacción, del orden del eV para los neutrinos menos pesados. No tienen carga, por lo que son transparentes para el campo electromagnético. Y también son ignorados por la fuerza nuclear fuerte. Podríamos decir que el campo relativista neutrino sólo está ligado a otros campos de partículas a través del campo de la interacción nuclear débil, con el que participa muy activamente provocando, o siendo el producto, de reacciones de aniquilación de otras partículas. Algunas de ellas son las reacciones de desintegración radiactiva, como las que se dan en el núcleo de las estrellas. En particular, ayudados por los bosones W y Z del campo nuclear débil, no dejaban tranquilos a nuestros bariones.

Los neutrinos, con muy poca masa en reposo pero que en este momento disponían de una energía elevada, también estaban allí formando una población superabundante. Entre todo este tipo de partículas se producían múltiples interacciones provocándose las conocidas como reacciones β inversa (ver la imagen que sigue):

neutrino_e + neutrón ↔ protón⁺ + electrón^-

protón⁺ + antineutrino ↔ neutrón + positrón⁺

Esquema de la reacción beta inversa. Un neutrino electrónico y un protón interaccionan decayendo en un  positrón y un neutrón (Imagen: Sergio Torres, fair use)

En estas reacciones los protones pasaban a neutrones, los cuales respondían a su vez pasando a protones en un equilibrio numérico casi perfecto. Mientras los neutrinos tuvieran energía suficiente como para participar, su ritmo seguiría tranquilamente. Pero la vida no es tan tranquila. El sustrato que estaba soportando estos intercambios, el tejido espacio-temporal del Universo, se estaba expandiendo, lo cual afectaba a la longitud de onda de los neutrinos, alargándola y en consecuencia disminuyendo su energía.

En el difuso momento en que se sobrepasaba el umbral de 1 segundo el nivel energético era tan bajo, 1 MeV, que la energía de movimiento de los neutrinos ya no fue suficiente para iniciar las reacciones nucleares débiles con neutrones y protones. Podemos pensar que las ondas de los neutrinos eran tan grandes que los bariones se escapaban entre las piernas del neutrino. Como resultado, estas pequeñas partículas quedaron libres para volar a su aire por todo el espacio-tiempo del Universo, abandonando el equilibrio termodinámico que habían mantenido con las otras partículas. Aquellos neutrinos primitivos aún están por ahí, aunque con una energía muy disminuida debido al enfriamiento general producido al expandirse el Cosmos. Los cálculos nos dicen que deberíamos ver en el Universo frío de hoy unos 112 neutrinos primigenios por centímetro cúbico. Pensamos que en este mar de fondo, lo que conocemos como fondo cósmico de neutrinos, la temperatura ha descendido hasta los 1,95K.^[10]

Por desgracia, con el nivel de tecnología del que disponemos hoy en día no podemos llegar a detectar su pista de la misma manera como lo hemos podido hacer con la pista de los fotones que se liberaron de la masa bariónica bastante más tarde. Si consiguiéramos la foto del fondo de neutrinos tendríamos información directa del Universo a la edad de poco más de ¡un segundo!

Pero la historia sigue. Los protones y neutrones que quedaron libres de los neutrinos tras su emancipación cósmica siguieron estando en manos de la fuerza nuclear débil, ahora siguiendo otro tipo de reacciones de desintegración β que les podía afectar: las desintegraciones β^- y β⁺:

desintegración  β^-          neutrón     →      protón⁺ + W^-       →     protón⁺ + (electrón^- + antineutrino_e)

desintegración β⁺            protón⁺      →     neutrón + W⁺      →       neutrón + positrón⁺ + neutrino_e

Esquema de la reacción beta, característica de la interacción débil, mediada por uno de sus bosones W^-: Un neutrón decae en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico (Imagen: Sergio Torres, fair use)

La primera de las anteriores reacciones β -ver figura anterior- hacía del neutrón una partícula inestable con una vida media de unos 15 minutos: es decir, cada 15 minutos una bolsa de neutrones reducía su población a la mitad… ¡a ese paso nos íbamos a quedar sin neutrones! Sin embargo, la segunda, por la que los protones libres podían pasar a neutrones, se producía cada vez con mayores dificultades por una circunstancia que, a la postre, en aquellos momentos iba a resultar decisiva para el tipo de “personalidad” que iba a adoptar el futuro Universo. El neutrón es ligeramente más pesado que el protón, por lo que en las dos reacciones de desintegración β anteriores era más fácil pasar de neutrón a protón que pasar de protón a neutrón. Lo primero implica ir energéticamente cuesta abajo -de la masa del neutrón a la menor masa del protón- mientras que lo segundo es una cuesta arriba energética.

La consecuencia es que esta segunda reacción no ocurre con los protones libres, ya que la suma de las energías de las partículas resultantes sería mayor que la del protón inicial. Y esto violaría el principio de conservación de la energía. Este tipo de reacción β⁺ sólo la observamos en protones ligados, integrados en núcleos atómicos, cosa que en aquel momento aún no existían. Así que poco a poco, mientras bajaba la temperatura, cada vez tenía más fuerza el siguiente NO

protón⁺  →   NO   →   neutrón + W⁺   →   neutrón + positrón⁺ + neutrino_e

circunstancia por la que el equilibrio protón-neutrón que hasta entonces se había dado se iba haciendo cada vez más difícil. El número de neutrones libres iba decreciendo incrementándose constantemente la relación protón/neutrón. Cuando el cronómetro marcaba 10^-1 segundos desde el nacimiento del Universo, la relación era de 3 a 2 y en el umbral del segundo, con un 3 a 1, se intuía una futura goleada.

Antes de seguir adelante vamos a recapitular dibujando de nuevo el cuadro general final del intervalo temporal que estamos analizando. A un segundo tras el Big Bang teníamos unos neutrinos que volaban independientes por el tejido del Universo de aquel momento, unos protones en una posición de fortaleza a costa de unos neutrones en decremento. Y también unos electrones y positrones que, mientras no estaban trabajando para la fuerza nuclear débil, seguían con el mismo juego que hasta entonces: o se estaban aniquilando como parejas partícula-antipartícula o los fotones, que en este momento tenían aún suficiente energía, los iban creando al chocar entre pares. Esto último duró hasta que más tarde se alcanzó la energía de “condensación” de electrones y positrones, que es del orden de los 500 KeV. Hasta el segundo 14 tras el Big Bang los fotones mantendrían aún la suficiente energía como para que hubieran podido regenerar la población, momento tras el que ya sólo se producirían reacciones de aniquilación entre electrones y positrones, disminuyendo su concentración en el plasma. Dado que la carga eléctrica total en el Universo es cero, al final sólo iban a quedar el mismo número de electrones que de protones.

Estamos celebrando el primer “cumplesegundos” del Universo. Una “esfera” repleta de radiación y neutrinos, algunos bariones y electrones, uno por cada mil millones de fotones, y algunas partículas más, inestables o misteriosas, que se distribuían localmente de acuerdo con las primitivas fluctuaciones cuánticas del periodo inflacionario. Toda esta energía-materia apelotonada formando un plasma de densidad 10⁵ veces la del agua a lo largo de una fabulosa extensión del orden de los 10¹³ kilómetros de diámetro, en el entorno del año-luz, aunque mucho más pequeño que nuestra galaxia, la Vía Láctea. Y todo con una temperatura de 10¹⁰ K o, lo que es lo mismo, un MeV de energía promedio para todos sus habitantes. Mientras, las ondas sonoras y gravitacionales rielaban aquel infierno. Quizás algún meticuloso lector me pregunte ¿qué pasa con la cacareada fuerza nuclear fuerte residual? Porque hasta ahora solo ha aparecido la faceta de fuerza de color. No nos pongamos nerviosos.

Estamos a las puertas de un suceso trascendental. Uno más, claro. Lo presentaré en la próxima entrada. Hasta entonces.

1. En este enlace podéis profundizar en el tema. [↩]
2. Claro que hasta hace unas décadas pensábamos que el protón y el neutrón eran a su vez elementales… [↩]
3. De nuevo… a qué estáis esperando para leer la serie de El Tamiz “Esas maravillosas partículas”. [↩]
4. Aquí tenéis su historia, en El Tamiz. [↩]
5. Simplemente lo obliga la realidad física descrita por el principio de incertidumbre: si se concreta mucha energía -masa- a partir del vacío necesariamente lo hará en un tiempo muy pequeño. [↩]
6. Podéis haceros una idea mejor de la intensidad de interacción de la fuerza de color viendo la curva del potencial de Hideki Yukawa en la entrada 13 siguiente. [↩]
7. Las contribuciones a la masa-energía del protón o neutrón pueden asimilarse a tres causas: a. La masa-energía de los quarks y antiquarks contenidos en el mar de partículas del interior de los hadrones. Los gluones al no tener masa en reposo no aportan nada. b. La energía del movimiento de los tres tipos de partículas. c. La energía potencial o de enlace almacenada en las fuerzas nucleares fuerte que mantienen unido al hadrón. [↩]
8. En estos dos enlaces, aquí y aquí, podéis ver algún ejemplo gráfico del tema. [↩]
9. Dejando electrones y una cantidad marginal de positrones. Esta partícula, que fue predicha en la teoría por Paul Dirac, fue encontrada al fotografiar las huellas de los rayos cósmicos en una cámara de niebla. En la actualidad los positrones, a pesar de ser antimateria, nos son muy familiares y los producimos con facilidad, por ejemplo cuando hacemos una tomografía por emisión de positrones. [↩]
10. Aunque si se tienen en cuenta sus pequeñas masas los cálculos nos dicen que estarán mucho más fríos, a 1,6×10^-4K. [↩]

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