¿Hubo transiciones de fase cosmológicas en el primer segundo después del Big Bang?

La teoría del Big Bang describe la expansión del Universo, pero no explica el “Bang”, es decir, el origen del Universo. Deja la puerta abierta a la especulación sobre la física característica del Universo durante el primer segundo desde su creación. Aunque un segundo parece muy poco tiempo, de acuerdo a la física de partículas muchos procesos físicos podrían haber ocurrido durante dicho “primer” segundo. Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y del California Institute of Technology han teorizado ahora sobre esos primeros instantes.

En un trabajo reciente publicado en la revista Physical Review, el investigador Daniel G. Figueroa del Departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid, junto con los investigadores Robert Caldwell y Marc Kamionkowski del California Institute of Technology (CALTECH), estudiaron cómo la dinámica de auto-ordenamiento de campos tras una transición de fase, daría lugar a la creación de desviaciones con respecto a una distribución Gausiana, en la estadística de las fluctuaciones primordiales de la densidad de energía cosmológica.

Dichas fluctuaciones son detectadas hoy en día con regularidad (por ejemplo en el fondo cósmico de microondas) y, mediante el estudio de la estadística que poseen, se espera, de hecho, encontrar señales remanentes del Universo primigenio. Caracterizar teóricamente dichas desviaciones estadísticas “no-gausianas” es muy relevante, puesto que pueden ser usadas como un potente discriminador entre los diversos modelos del Universo primitivo. Por lo tanto, es muy importante determinar los detalles exactos de nuevas fuentes potenciales de no-gausianidad, como la descrita en la citada publicación.

Simulación por ordenador de un proceso de ruptura de simetría por un campo de materia. Durante la ruptura de simetría el campo se orienta hacia “arriba” o hacia “abajo” aleatoriamente en distintos puntos del espacio (figuras superiores). Después de la ruptura de simetría, el campo, orientado ya en un sentido u otro en todos los puntos del espacio, comienza el proceso de auto-ordenamiento (figuras inferiores), adquiriendo la misma orientación ("alineándose") en regiones cada vez mayores.

En el trabajo realizado por estos investigadores se ha calculado explícitamente la forma de cierta función denominada “bi-espectro”, que caracteriza la desviación de gausianidad en la estadística de las fluctuaciones primordiales. Si éstas últimas fueran puramente gausianas, el bi-espectro se anularía, y de ahí la novedad de este trabajo, pues se ha encontrado que la forma funcional del bi-espectro inducida por la dinámica de auto-ordenamiento tras una transición de fase cosmológica, no sólo no se anula, sino que además es diferente a la de otros casos conocidos.

Esta nueva fuente de no-gausianidad de hecho podría ser muy significativa, y su detección en un futuro próximo demostraría la existencia de campos auto-ordenantes en el Universo, lo que probaría, a su vez, que realmente hubo una transición de fase en el Universo primigenio.

Teorías sobre los primeros momentos del Universo

Hoy la comunidad cientifica investiga activamente cómo dichos procesos podrían haber producido ciertas señales observables que, de ser detectadas, nos proporcionarían información directa sobre la física de aquellos instantes primigenios. Si algún día queremos llegar a comprender cómo fue el Universo primitivo, predecir teóricamente estas señales resulta fundamental.

Entre los diversos procesos físicos que se piensa que pudieron ocurrir durante el primer segundo del Universo, se encuentran las transiciones de fase cosmológicas, en las que sucede un fenómeno conocido en física cómo “ruptura de simetría”.

Si imaginamos un campo de materia como un vector de varios componentes, la ruptura de simetría es un mecanismo mediante el cual el módulo de dicho campo (esto es: la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de sus componentes), pasa de ser cero a tomar un valor constante e igual en todos los puntos del espacio. La dirección de sus componentes, es decir la orientación del campo, resulta sin embargo diferente en cada lugar, si bien el campo tiende a “alinearse” (es decir, tiende a adquirir la misma orientación) en regiones próximas.

Denominando “escala causal” a la máxima distancia recorrida por la luz desde el surgimiento del Universo y, ya que nada puede viajar más rápido que la luz, la dinámica de un proceso de ruptura de simetría debe ser tal que el campo correspondiente sólo puede alinearse en regiones espaciales (dominios) de tamaño inferior a la escala causal del Universo. Considerando dos puntos del espacio, A y B, separados una distancia mayor que la de la escala causal, entonces la orientación del campo de materia en A, no puede guardar relación alguna con la orientación del campo en B.

La variación arbitraria de la orientación del campo de materia al pasar de unas regiones a otras desconectadas causalmente, da lugar por tanto a grandes gradientes (variaciones) del propio campo, lo que a su vez lleva asociado una gran densidad de energía. El tamaño de los dominios en los que el campo está alineado no es fijo, sino que crece en el tiempo y, así, a la dinámica asociada a este crecimiento se la denomina “dinámica de auto-ordenamiento de campos”. En otras palabras, a medida que transcurre el tiempo, el campo se va alineado en regiones mayores, lo que da lugar a que los gradientes asociados evolucionen notablemente durante este proceso.

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Referencia bibliográfica

Felder et al, Phys.Rev. D64 (2001) 123517

Artículo publicado en Servicio de Información y Noticias Científicas (SINC).