Los científicos están capitalizando una conexión directa entre las estructuras cósmicas más grandes y los objetos más pequeños conocidos para usar el universo como un "colisionador cosmológico".
Una nueva investigación encuentra cómo las propiedades de las partículas elementales subatómicas, visualizadas en medio de la impresión de este artista, pueden ser impresas en las estructuras cósmicas más grandes visibles en el universo, mostradas a cada lado. Crédito de la imagen: Paul Shellard
Sci Tech Daily 20 de julio de 2017
El mapa tridimensional de las galaxias a lo largo del cosmos y la radiación sobrante del Big Bang - llamado el fondo cósmico de microondas (CMB) -- son las estructuras más grandes del universo que los astrofísicos observan usando telescopios. Las partículas elementales subatómicas, por otro lado, son los objetos más pequeños conocidos en el universo que los físicos de partículas estudian usando colisionadores de partículas.
Un equipo que incluye a Xingang Chen del Centro de Astrofísica de Harvard-Smithsonian (CfA), Yi Wang de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) y Zhong-Zhi Xianyu del Centro de Ciencias Matemáticas y Aplicaciones de la Universidad de Harvard Extremos de tamaño para investigar la física fundamental de una manera innovadora. Han demostrado cómo las propiedades de las partículas elementales en el Modelo Estándar de la física de partículas pueden inferirse estudiando las estructuras cósmicas más grandes. Esta conexión se hace a través de un proceso llamado inflación cósmica.
La inflación cósmica es el escenario teórico más ampliamente aceptado para explicar lo que precedió al Big Bang. Esta teoría predice que el tamaño del universo se expandió a una velocidad extraordinaria y acelerada en la primera fracción fugaz de segundo después de que el universo fue creado. Fue un evento altamente energético, durante el cual todas las partículas del universo fueron creadas e interactuaron entre sí. Esto es similar al ambiente que los físicos intentan crear en los colisionadores terrestres, con la excepción de que su energía puede ser 10 mil millones de veces mayor que cualquier colisionador que los humanos puedan construir.
La inflación fue seguida por el Big Bang, donde el cosmos continuó expandiéndose por más de 13 billones de años, pero la tasa de expansión se desaceleró con el tiempo. Las estructuras microscópicas creadas en estos eventos energéticos se estiraron a través del universo, dando lugar a regiones que eran ligeramente más densas o menos densas que las áreas circundantes en el universo temprano muy homogéneo. A medida que el universo evolucionaba, las regiones más densas atraían cada vez más materia debido a la gravedad. Eventualmente, las estructuras microscópicas iniciales sembraron la estructura a gran escala de nuestro universo, y determinaron la ubicación de las galaxias en todo el cosmos.
En los colisionadores terrestres, físicos e ingenieros construyen instrumentos para leer los resultados de los eventos de colisión. La cuestión es entonces cómo debemos leer los resultados del colisionador cosmológico.
"Hace varios años, Yi Wang y yo, Nima Arkani-Hamed y Juan Maldacena del Instituto de Estudios Avanzados, y varios otros grupos, descubrimos que los resultados de este colisionador cosmológico están codificados en las estadísticas de las estructuras microscópicas iniciales. Con el paso del tiempo, se impregnan en las estadísticas de la distribución espacial de los contenidos del universo, como las galaxias y el fondo cósmico de microondas, que observamos hoy ", dijo Xingang Chen. "Al estudiar las propiedades de estas estadísticas, podemos aprender más sobre las propiedades de las partículas elementales".
Como en los colisionadores terrestres, antes de que los científicos exploren nueva física, es crucial entender el comportamiento de las partículas fundamentales conocidas en este colisionador cosmológico, tal como lo describe el Modelo Estándar de la física de partículas.
"El número relativo de partículas fundamentales que tienen masas diferentes - lo que llamamos el espectro de masas - en el Modelo Estándar tiene un patrón especial, que puede ser visto como la huella digital del Modelo Estándar", explicó Zhong-Zhi Xiangyu. "Sin embargo, esta huella digital cambia a medida que el ambiente cambia, y se habría visto muy diferente en el momento de la inflación de cómo se ve ahora".
El equipo mostró cómo sería el espectro de masas del Modelo Estándar para diferentes modelos de inflación. También mostraron cómo este espectro de masas se imprime en la apariencia de la estructura a gran escala de nuestro universo. Este estudio prepara el camino para el futuro descubrimiento de la nueva física.
"Las observaciones en curso del CMB y de la estructura a gran escala han logrado una precisión impresionante a partir de la cual se puede extraer información valiosa sobre las estructuras microscópicas iniciales", dijo Yi Wang. "En este colisionador cosmológico, cualquier señal observacional que se desvíe de la esperada para partículas en el Modelo Estándar sería entonces un signo de nueva física".
La investigación actual es sólo un pequeño paso hacia una era emocionante en la que la cosmología de precisión mostrará toda su potencia.
"Si tenemos la suerte de observar estas huellas, no sólo seríamos capaces de estudiar física de partículas y principios fundamentales en el universo primitivo, sino también entender mejor la inflación cósmica misma. En este sentido, todavía hay un universo entero de misterios a explorar ", dijo Xianyu.
Esta investigación se detalla en un artículo publicado en la revista Physical Review Letters el 29 de junio de 2017.
With a little help from Google Translate for Business