NUESTRO UNIVERSO EN LA ACTUALIDAD- LA INFLACIÓN CÓSMICA Y EL CAMPO DE HIGGS


Imagen: Big Bang y la expansión del universo – crédito NASA/WMAP

El martes 8 de octubre se entregó el Premio Nobel de Física, fue otorgado al físico belga François Englert de la Universidad Libre de Bruselas, Bélgica y al físico escocés Peter W. Higgs de la Universidad de Edinburgo, Escocia, Inglaterra; no se consideró al físico belga Robert Brout, que también perteneció al equipo investigador y trabajó junto a Higgs y Englert, había fallecido en 2011.
Los tres desarrollaron en 1964 el mecanismo de Brout-Englert-Higgs de rotura espontánea de la simetría electrodébil que da origen a la masa de las partículas fundamentales, mecanismo que predice la existencia de una nueva partícula, el bosón de Brout-Englert-Higgs, un bosón escalar que fue observado en las colisiones del LHC en el CERN el 04 de julio de 2012. Como la secuencia de nombres es larga, en la actualidad se conoce este bosón como el Bosón de Higgs.

La Teoría del Big Bang, asume que el universo inició su expansión cósmica, hace 13.800 millones de años. Es un modelo científico que trata de explicar el origen del Universo y su desarrollo posterior a partir de una singularidad espacio-temporal. Desde un punto de vista técnico, este modelo se basa en una colección de soluciones de las ecuaciones de la Relatividad General, llamados modelos de Friedmann-Lemaitre-Robertson – Walker.
El término Big Bang o Gran Explosión en español curiosamente proviene del astrofísico Fred Hoyle, uno de los detractores de esta teoría, y que era a su vez, principal defensor de la teoría del estado estacionario, quien en 1949, durante una intervención en la BBC, dijo en son de mofa, que el modelo descrito era solo un big bang.

De todas maneras, hay que tener en cuenta que en el inicio del Universo ni hubo explosión ni fue grande, en rigor surgió de una “singularidad” infinitamente pequeña antes del surgimiento y expansión del espacio-tiempo que habría sido el mismo Big Bang el que lo habría generado. Por lo tanto, el término Big Bang es utilizado para referirse específicamente al momento en el que se inició la expansión del Universo, cuantificada en la Ley de Hubble, como en un sentido general para referirse al paradigma cosmológico que explica su origen y evolución.

La teoría mantiene que en un instante, durante una trillonésima parte de un segundo, tras la Gran Explosión, el Universo se expandió a una velocidad incomprensible, desde su origen del tamaño de lo más pequeño a un tamaño astronómico, expansión que ha continuado pero con velocidad decreciente durante los siguientes miles de millones de años.

En la actualidad, el Universo es más grande de lo necesario para explicar porqué es tan homogéneo y tan isótropo a grandes escalas. Los nuevos elementos tecnológicos que los seres humanos han desarrollado, le han permitido calcular que el Universo visible tiene un radio de unos 93.000 millones de años luz, y va en aumento por cuanto el Universo está en expansión.

Imagen: La inflación del Universo

Para explicarlo en forma sencilla, la inflación cósmica fue introducida en 1981 por el físico Alan H. Guth y otros físicos. Las inhomogenidades y las anisotropías en los primeros instantes de la Gran Explosión serían aplanadas por una hiperaceleración muy breve de la expansión del Universo en sus primeros instantes que darían lugar a un Universo plano, homogéneo e isótropo, compatible con el análisis del fondo cósmico de microondas observado por el Telescopio Espacil Planck de la ESA. En la actualidad, la inflación forma parte del modelo cosmológico de consenso y son muy escasos los científicos que dudan de su existencia.

Ante el problema de la inflación del Universo, los físicos teóricos se han puesto de acuerdo que el responsable de esta inflación cósmica, la fuente de la energía inflacionaria, debe ser repulsiva para la gravedad. La manera más sencilla de lograr energía repulsiva es mediante un campo cuántico escalar, llamado Inflatón.

El Inflatón es un campo escalar cuántico hipotético, cuya partícula mediadora recibe el mismo nombre [inflatones] y que ha sido postulado en cosmología como el responsable de la hipotética inflación sufrida por el Universo durante su más temprana etapa. Según la Teoría Inflacionaria, el Campo Inflatón establecería el mecanismo para conducir el período de rápida expansión existente desde 10-35 a 10-34 segundos después la “explosión” inicial que formó el Universo.
Los detalles de la inflación cósmica dependen del potencial de autointeracción del inflatón, es decir, como los inflatones interaccionan con otros inflatones. Este potencial determina la tasa de hiperexpansión cósmica durante la inflación y el mecanismo de parada de la hiperexpansión que resulte en la expansión cósmica de Hubble. La exacta forma de este potencial conduce a diferentes tipos de inflación que se diferencian en el tamaño de las pequeñas inhomogeneidades y anisotropías que permanecen tras la inflación y que más tarde dan lugar a la formación de las primeras Galaxias.
El Telescopio Espacial Planck ha observado la polarización del fondo cósmico de microondas, su análisis será publicado en junio de 2014, esperándose que permita descartar algunos modelos para el Campo Inflatón, proporcionando una valiosa información sobre el período primigenio del Universo.

¿Qué tiene que ver la Inflación con el Bosón de Higgs? Tal vez la partícula de Higgs ha jugado un papel clave en los inicios del Universo, preveía diferentes cantidades de partículas y antipartículas y se determinó la densidad de la materia oscura que compone cinco sextas partes de la materia cósmica. La partícula de Higgs es un elemento clave, por cuanto el modelo cosmológico estándar permite la existencia de los bosones de Higgs y Anti-Higgs en el universo primitivo. Sin embargo era un desequilibrio entre dos partículas, debido a que el Bosón de Higgs interactúa con la materia normal, que en última instancia cambia la relación entre el bosón de Higgs y su antipartícula. Con el tiempo dio lugar a un universo con más materia que antimateria; los físicos se refieren a su teoría como Higgsogenese – análoga a bariogénesis – un proceso en el universo temprano, a través de más bariones [partículas de una familia que incluye, entre otros neutrones y protones] que han incurrido como antibariones; por lo que el Higgsogenese es una alternativa.

Como el Inflatón y el Higgs son campos escalares [campos de spin cero], la primera propuesta de Alan Guth fue que el inflatón era el campo de Higgs, estudios posteriores presentaron indicios en contra de esta idea. Los datos del Fondo Cósmico de Microondas obtenidos por el Telescopio Espacial WMAP, asumiendo que el campo de Higgs es el campo inflatón, permite acotar cosmológicamente que la masa del bosón de Higgs esta entre 135,6 GeV y 184,5 GeV; y como el bosón de Higgs observado tiene una masa menor de 125,7 GeV se puede estar bastante seguro que no es idéntico al inflatón, no quitando que pueda haber alguna relación entre ambos campos.
La existencia de las partículas fundamentales fue puesta en duda por algunos teóricos, pero al haberse descubierto el Bosón de Higgs en el CERN, es una prueba a favor de la existencia de otras partículas escalares como el Inflatón.

Un bosón escalar es un bosón cuyo espín es igual a cero [0], significando que tiene un espín entero, el escalar arregla este valor a cero; el nombre de bosón escalar surge de la Teoría Cuántica de Campos y se refiere a las propiedades de transformación particular bajo una transformación de Lorentz. Un campo escalar representa la distribución espacial de una magnitud escalar, asociada a un valor a cada punto del espacio, en matemáticas es un número, en física, una magnitud física. Los campos escalares se usan en física, por ejemplo, para indicar la distribución de la temperatura o la presión de un gas en el espacio.

Hay varios modelos que proponen que el campo de Higgs podría ser inflatón o al menos estar fuertemente acoplado con el inflatón: de hecho, todo depende de cómo sea el acoplo entre el campo de Higgs y la gravedad. Recordemos que en la Teoría de Einstein, gravitan la energía y el momento, en un sentido estricto, la masa no es la fuente de la gravedad, pues incluso las partículas sin masa gravitan. La masa gravita porque es energía. Como el Higgs es un campo escalar, se puede acoplar a la gravedad usando un acoplo no mínimo, un valor razonable de esta constante permite hacerlo compatible con los resultados experimentales, el campo de Higgs como campo inflatón.

Un enfoque al Higgsogenese, es seguido por un grupo de investigadores de la Universidad de Lyon, cuyo trabajo titulado “Baryogenesis Through Split Higgsogenesis” aparece en arXiv: 1307.6218 [hep-ph] de Cornell University Library.
El inflatón y el Higgs son campos escalares que pueden ser el mismo campo, pero hay argumentos teóricos e indicios experimentales que apuntan a que son dos campos diferentes, y que podrían estar acoplados en alguna forma; existen muchas teorías, su discusión será tema en el próximo tiempo.
Fuente: The Mule News-Francisco Villatoro- / Wikipedia / Michio Kaku / National Geographic /Spektrum.de / Nature /

http://sergiocampos936.blogspot.com/2013/10/nuestro-universo-en-la-actualidad-la.html

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