¿Por qué quedó más materia después del Big Bang?

La razón por la que los humanos existen es porque en algún momento del primer segundo de la existencia del Universo, de alguna manera se produjo más materia que antimateria. La asimetría es tan pequeña que solo se producía una partícula extra de materia cada vez que se producían diez mil millones de partículas de antimateria. El problema es que aunque esta asimetría es pequeña, las teorías actuales de la física no pueden explicarla. De hecho, las teorías estándar dicen que la materia y la antimateria deberían haberse producido en cantidades exactamente iguales, pero la existencia de los humanos, la Tierra y todo lo demás en el universo demuestra que debe haber más física sin descubrir.

Actualmente, una idea popular compartida por los investigadores es que esta asimetría se produjo justo después de la inflación, un período en el universo primitivo en el que hubo una expansión muy rápida. Una gota de campo podría haberse extendido sobre el horizonte para evolucionar y fragmentarse de la manera correcta para producir esta asimetría.

Pero probar este paradigma directamente ha sido difícil, incluso utilizando los aceleradores de partículas más grandes del mundo, ya que la energía involucrada es de miles de millones a billones de veces mayor que cualquier cosa que los humanos puedan producir en la Tierra.

Ahora, un equipo de investigadores en Japón y EE. UU., incluido el investigador del Proyecto Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, Graham White, y el científico sénior visitante Alexander Kusenko, quien también es profesor de Física y Astronomía en UCLA, han encontrado un nueva forma de probar esta propuesta mediante el uso de gotas de campo conocidas como Q-balls.

La naturaleza de las bolas Q es un poco difícil de entender, pero son bosones como el bosón de Higgs, explica Graham White, autor principal e investigador del proyecto en Kavli IPMU.

"Una partícula de Higgs existe cuando el campo de Higgs está excitado. Pero el campo de Higgs puede hacer otras cosas, como formar un bulto. Si tienes un campo que es muy parecido al campo de Higgs pero tiene algún tipo de carga, no un campo eléctrico carga, pero algún tipo de carga, entonces un bulto tiene la carga como una partícula. Dado que la carga no puede simplemente desaparecer, el campo tiene que decidir si estar en partículas o en bultos. Si es menos energía estar en bultos que partículas, entonces el campo hará eso. Un montón de grumos que se coagulan juntos formarán una bola Q".

"Argumentamos que muy a menudo estas gotas de campo conocidas como Q-balls permanecen durante algún tiempo. Estas Q-balls se diluyen más lentamente que la sopa de radiación de fondo a medida que el Universo se expande hasta que, finalmente, la mayor parte de la energía del Universo está en estas manchas. Mientras tanto, ligeras fluctuaciones en la densidad de la sopa de radiación comienzan a crecer cuando estas manchas dominan. Cuando las bolas Q se desintegran, su desintegración es tan repentina y rápida que las fluctuaciones en el plasma se convierten en violentas ondas de sonido que conducen a ondas espectaculares en el espacio y el tiempo, conocidas como ondas gravitacionales, que podrían detectarse en las próximas décadas. La belleza de buscar ondas gravitacionales es que el Universo es completamente transparente a las ondas gravitacionales desde el principio", dijo Blanco.

Los investigadores también encontraron que las condiciones para crear estas ondas son muy comunes, y las ondas gravitacionales resultantes deberían ser lo suficientemente grandes y de baja frecuencia para ser detectadas por detectores de ondas gravitacionales convencionales.

"Si así es como se hizo la asimetría, es casi seguro que pronto detectaremos una señal desde el principio de los tiempos que confirme esta teoría sobre por qué nosotros, y el resto del mundo de la materia, existimos", dijo White.

Los detalles de su estudio se publicaron en Physical Review Letters el 27 de octubre del 2021.

Fuente y acceso al trabajo de investigación:

Graham White, Lauren Pearce, Daniel Vagie, Alexander Kusenko. Señales detectables de ondas gravitacionales de Affleck-Dine Baryogenesis . Cartas de revisión física , 2021; 127 (18) DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.181601