En busca de los orígenes del Big Bang

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El Big Bang y su evolución posterior hasta hoy en día.

La teoría del Big Bang describe correctamente la evolución del Universo desde una pequeña fracción de segundo hasta la actualidad. Sin embargo, no es capaz en sí misma de explicar el propio Big Bang, el origen de toda la radiación y la materia que permean el Universo. Las modernas teorías cosmológicas proponen que el Universo primitivo se expandió aceleradamente gracias a un proceso conocido como inflación cósmica, un período en el que una enorme densidad de energía actuó como motor de la expansión.

Al finalizar el proceso inflacionario, el Universo quedó vacío de partículas, y la única energía remanente era la del campo responsable de la propia Inflación. Pues bien, se denomina Recalentamiento al proceso que ocurre justo al finalizar la etapa inflacionaria, en el que la energía responsable de la Inflación se convierte en toda clase de partículas elementales, las cuales constituyen la materia y la radiación que observamos en el Universo. El problema es que aún se desconoce la naturaleza del Inflatón - el campo responsable del proceso inflacionario - y, desafortunadamente, el Recalentamiento depende crucialmente de conocer los detalles de dicho campo.

Aunque se desconocen las características del Inflatón, se supone que su dinámica está determinada por procesos de altas energías descritos por la física de partículas. En estos momentos se están realizando experimentos de colisiones de partículas a altas energías en grandes aceleradores como el LHC en el CERN (Ginebra), en búsqueda de los constituyentes fundamentales de la naturaleza y, en particular, del último eslabón del Modelo Estándar de Partículas, el bosón de Higgs.

El Higgs es un campo escalar cuya existencia es una suposición de la teoría que aún no ha sido confirmada y, en particular, se desconoce si su interacción gravitacional es igual a la del resto de las partículas. Utilizando dicha libertad, recientemente un grupo de la Universidad de Lausanne (Suiza) propuso un modelo en el que el Higgs podría ser responsable de generar la Inflación cósmica, siempre que éste poseyera un acoplo gravitacional no estándar. De esta manera, encontraron una correspondencia entre las recientes observaciones cosmológicas y los inminentes experimentos del CERN. En concreto, las propiedades estadísticas de las anisotropías observadas en el fondo de radiación imponen restricciones sobre la masa del bosón de Higgs, lo que podría ser testado en el LHC. Las conexiones entre el Universo primitivo y los experimentos de partículas son muy valiosas pues permiten acotar mejor las teorías físicas sobre el origen del Universo.

En un trabajo reciente, publicado en la revista americana Physical Review D, el grupo de investigación compuesto por Daniel G. Figueroa, Javier Rubio y Juan García-Bellido, del Departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid, estudió las consecuencias que dicho modelo tendría para el origen de la radiación y la materia en el Big Bang. Al final del proceso inflacionario, el campo del Inflatón - el Higgs en este caso -, terminaría convirtiendo su enorme densidad de energía en radiación y materia, la cuál alcanzaría más tarde el equilibrio térmico. Dicho proceso de creación de partículas, es muy complejo de tratar matemáticamente y, a partir de un cierto momento, el problema debe ser introducido en un ordenador.

La investigación llevada a cabo por este grupo ha consistido precisamente en desarrollar el formalismo matemático y la fenomenología física del proceso, hasta el momento, en el cuál la evolución del plasma de partículas creado se vuelve demasiado complicada como para seguir tratándola analíticamente. Estos investigadores han sido capaces de calcular cuál es la distribución de energía de todas las partículas del Modelo Estándar creadas en este proceso. Pero aún queda por saber cómo ese plasma de partículas, que está fuera del equilibrio, evoluciona en el tiempo hasta que las distribuciones de todas las partículas adquieren una temperatura común. Cuando se alcanzase dicha temperatura, ese momento representaría el comienzo de la evolución térmica del Universo descrita por la teoría del Big Bang.

Puesto que se conocen todas las interacciones del Higgs con el resto de partículas elementales, en principio se debería ser capaz de entender dicho fenómeno de termalización, y predecir así el instante en la evolución del Universo en el que éste adquirió una temperatura común por primera vez. Si se consigue entender dicho proceso, se habrá comprendido de dónde ha salido toda la materia y la radiación del Universo. Lo impresionante de este nuevo modelo es que, al proponer que el campo del inflatón es el bosón de Higgs, se pueden contrastar las predicciones que hace el modelo sobre el recalentamiento del Universo primitivo, con las observaciones cosmológicas y los datos de los aceleradores de partículas