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HACIA NUEVOS DESCUBRIMIENTOS EN FÍSICA FUNDAMENTAL (I)

A pesar del enorme progreso realizado en las últimas décadas en física fundamental persisten todavía varias cuestiones fundamentales sin resolver. Entre estas cuestiones se pueden destacar la naturaleza de la energía y la materia oscura, los detalles del comienzo del Universo, la existencia de nueva física más allá del modelo estándar, la asimetría materia-antimateria, la naturaleza del tiempo, la posible existencia de nuevas dimensiones del espacio-tiempo, la unificación de las fuerzas fundamentales y quizás, la cuestión más profunda de todas: la verdadera naturaleza del propio espacio-tiempo.

Para conseguir las respuestas a estas y otras muchas cuestiones la física fundamental necesita con urgencia nuevos proyectos experimentales que ayuden a seleccionar la teoría correcta entre la gran cantidad de modelos teóricos propuestos o quizás, a descubrir nuevos modelos que describan nuestro Universo a nivel fundamental. Afortunadamente en los próximos años se van a poner en funcionamiento un gran número de experimentos que podrían zanjar muchos de los grandes problemas sin resolver. En esta serie de dos artículos analizaremos algunos de los experimentos más prometedores que están a punto de iniciarse y que podrían revolucionar nuestra visión del Universo.


ONDAS GRAVITACIONALES Y ASTRONOMÍA MULTIMENSAJERO


Próximos detectores de ondas gravitatorias:


DECIGO: 2020

VIRGO y LIGO UPGRADES: 2021

KAGRA: 2021

EINSTEIN TELESCOPE-COSMIC EXPLORER: 2025

TIANQIN: 2030

TAIJI: 2033

LISA: 2034

AEDGE: 2035

MAGIS: --

BIG BANG OBSERVER: --

AION:--


Objetivos principales:


Estudio de agujeros negros y nuevos objetos con características similares


Los próximos detectores de ondas gravitatorias nos permitirán estudiar con precisión la física relacionada con los agujeros negros. Por otro lado, ciertos modelos teóricos como la teoría de supercuerdas predicen la existencia de objetos cuyo comportamiento es muy similar a los AN pero que tienen ciertas características distintivas. Estas diferencias se plasmarían en ciertos fenómenos medibles como los detalles de los llamados "ecos" producidos en la fusión de agujeros negros. Los próximos detectores permitirán detectar estas características distintivas. Entre estos nuevos objetos destacan las Fuzzy balls, las blackstars, gravastars, estrellas de quarks, estrellas de planck o los agujeros de gusano. Por otro lado, los nuevos experimentos deberían ser capaces de detectar agujeros negros primordiales, estos agujeros negros de baja masa podrían formarse bajo ciertas condiciones durante las primeras fases del Universo.


Estudio de estructuras primordiales


En los inicios de la expansión del Universo, a medida que este se enfriaba, se produjeron varios "cambios de fase" o rupturas de simetría. Estos cambios producirían ciertas inhomogeneidades que podrían ser detectadas por los próximos experimentos. Estas inhomogeneidades son principalmente las paredes de dominio, las cuerdas cósmicas y los monopolos magnéticos. La detección de estos objetos podrían darnos importante información sobre los procesos de ultra-alta energía que los produjeron.


Estudio de desviaciones de la relatividad general


Estudiando con detalle la propagación de las ondas gravitatorias a lo largo de enormes distancias podemos detectar la más mínima desviación respecto a las predicciones de la relatividad general. Existen indicios de que la relatividad general podría ser parte de una teoría de la gravedad más general, los nuevos experimentos podrían aportar nuevos datos que nos ayuden a dirimir esta cuestión.


Estudio de nuevas dimensiones del espacio-tiempo


Varios modelos teóricos como la teoría de supercuerdas, los modelos de Kaluza-Klein o los modelos de Randall-Sundrum predicen la existencia de nuevas dimensiones del espacio tiempo. Estas nuevas dimensiones estarían "enrolladas" en un diámetro muy pequeño y su existencia dejaría "huellas" distintivas como el cambio en la luminosidad y la fase de las ondas gravitatorias. Esto es debido al hecho de que parte de la emisión "escaparía" a través de las dimensiones ocultas lo que produciría una disminución de la intensidad de las ondas gravitatorias. Los próximos detectores permitirían detectar y cuantificar esa disminución en la intensidad lo que nos permitiría estimar su número y tamaño. La detección de nuevas dimensiones del espacio-tiempo sería uno de los descubrimientos más grandes de la historia de la humanidad.

Estudio del fondo cósmico primordial de ondas gravitatorias


Mirar con un telescopio objetos cada vez más lejanos es como viajar al pasado ya que la luz que observamos fue emitida por objetos cada vez más distantes en el tiempo. Sin embargo, existe un límite que no podemos traspasar: una "barrera" situada aproximadamente 380.000 años después del Big-Bang. Antes de este periodo el Universo estaba tan caliente que los electrones y los núcleos atómicos estaban separados y el Universo era opaco a las radiaciones electromagnéticas que eran absorbidas por las partículas cargadas. En el momento de la recombinación los núcleos y los electrones se unieron en átomos neutros y la luz pudo escapar, este es el origen del llamado fondo cósmico de microondas (CMB). Las ondas gravitatorias permiten penetrar esta barrera ya que no están afectadas por la recombinación. Observando ondas gravitatorias procedentes de los primeros instantes del Universo podríamos obtener nueva información sobre el origen de nuestro Universo.


Estudio de la materia oscura


El estudio detallado de grandes agujeros negros rotatorios podría detectar la presencia de nuevas partículas (bosones) ultraligeros candidatos a constituir la materia oscura. Estas partículas formarían una "nube" alrededor del agujero negro y absorberían parte del momento angular del mismo. Este condensado de partículas emitiría ondas gravitatorias cuya frecuencia es proporcional a su masa. También se podrían poner a prueba ciertos candidatos a materia oscura procedentes de la teoría de cuerdas como los escenarios denominados "string axiverse" o "fuzzy dark matter".


OBSERVATORIOS DEL FONDO CÓSMICO DE MICROONDAS


Próximos observatorios del fondo cósmico de microondas:


PIXIE: 2023

CMB-24: 2027

LITEBIRD: 2027

CORE: 2031


Objetivos principales:


Distinción entre los diferentes modelos de inflación cósmica


Si miramos en cualquier dirección en el cielo, encontraremos una radiación de fondo con una temperatura de unos 2,7ºK. Como explicamos en el apartado anterior, esta radiación se denomina "cosmic microwave background" (CMB). Esta radiación esconde en su interior algunos de los secretos más profundos del cosmos. El denominado modelo cosmológico estándar (MCE) explica con precisión los detalles del comienzo y evolución de nuestro Universo. Uno de los "ingredientes" fundamentales en los que se basa el MCE es la denominada inflación cósmica. La inflación cósmica predice un periodo de expansión exponencial de nuestro Universo antes de la explosión primigenia del Big-Bang. Existen varios modelos físicos que explican la inflación cósmica y los detalles de estos modelos pueden considerarse los detalles de la "creación" del Universo que habitamos. El MCE posee varios parámetros fundamentales, entre ellos destaca el parámetro "r" que mide la relación entre las contribuciones escalares y tensoriales en la polarización del CMB. El valor de r depende de la escala de energía de la inflación cósmica. El valor más preciso del parámetro r viene dado por el satélite Planck y el experimento BICEP2 y su valor es de r<0.056 con una confianza del 95%.

El resumen de la gráfica anterior (resultados de PLANCK+BK15) es el siguiente:


Modelos de inflación desfavorecidos/descartados: Modelos basados en un potencial polínómico X^P con P>1(línea discontinua negra), inflación natural (línea violeta), modelos SUSY de baja energía (línea marrón oscuro inferior)


Modelos de inflación favorecidos: potenciales X^P con P<1 (lineas marrón y rosa), inflación R2 o inflación de Starobinsky (linea verde inferior), "alpha atractors" y modelos basados en D-Branas.

La teoría de supercuerdas predice un valor de r muy cercano a cero, la medición de un pequeño valor de r apoyaría la validez de los modelos cuerdísticos como el "string gas cosmology".


La mayoría de los modelos de inflación "estándar" predicen un valor de r mayor que 0.01 por lo que la detección de un valor inferior implicaría la necesidad de un cambio de paradigma dentro del modelo cosmológico estándar. El satélite LITEBIRD será capaz de medir valores de r de hasta 0.001 y por tanto será capaz de validar o refutar la inflación cósmica.


Detección del fondo primordial de ondas gravitatorias


Los procesos gravitatorios primordiales debieron generar ondas gravitatorias. Estas ondas primordiales debieron dejar su "huella" en la denominada "superficie de última interacción". Las ondas gravitatorias primordiales producen perturbaciones de paridad impar en los modos E y de paridad par en los modos B (los modos E y B son los dos modos distintivos de la polarización del CMB). Estas características distintivas permitirían detectar ondas gravitatorias primordiales que podrían aportar información sobre los primerísimos instantes del Universo.


Verificación o refutación de modelos cosmológicos alternativos o exóticos


En el CMB podrían estar impresos ciertos patrones o "huellas distintivas" predichas por ciertos modelos cosmológicos como la cosmología cíclica o la colisión de burbujas de vacío verdadero predichas por modelos basados en el Multiverso.

EXPERIMENTOS DE DETECCIÓN DE MATERIA OSCURA


Próximos experimentos de detección directa de materia oscura:


Telescopios de rayos gamma:

LHAASO: 2021

SWGO: 2026

CTA: 2025

Detectores subterráneos:

SuperCDMS: 2020

Detectores de líquidos nobles:

XENONnT: 2020

PandaX-4t:--

LZ: 2020

DarkSide-20k: 2020

DARWIN: 2026


Objetivos principales:


La existencia de una nueva clase materia que no emite radiación electromagnética y que puebla nuestro Universo ha quedado establecida fuera de toda duda por estudios de medidas de rotación de estrellas, estudios del CMB y estudios de medidas cosmológicas. Desde hace décadas muchos experimentos han tratado de detectar la partícula (o partículas) responsables de la materia oscura.


Los principales candidatos a constituir la materia oscura son los siguientes:

- Partículas WIMPS (weak interacting masive particles): son partículas que solo son detectables a través de la gravedad y la fuerza débil. Estas partículas son predichas por varios modelos teóricos como supersimetría (gravitinos,axinos...), los modelos de dimensiones extra o los modelos "little Higgs".

- Axiones: Partículas cuya existencia resolvería el denominado problema CP fuerte.

- Neutrinos estériles: Una nueva clase de neutrinos de gran masa podría resolver el problema de la materia oscura y tendría fácil explicación dentro del actual modelo de física de partículas (modelo estándar).

-Otros candidatos: fuzzy cold dark matter, Q-balls, WIMPzillas, agujeros negros primordiales, mirror/shadow dark matter.


Los principales esfuerzos se han enfocado en la detección de partículas WIMPs ya que parecen poseer las características ideales para constituir materia oscura:

Los nuevos detectores basados en líquidos nobles (principalmente XENONnT,PandaX-4t,LZ y DarkSide-20k y sobre todo DARWIN) llevarán los límites de exclusión para partículas WIMPs hasta casi el límite de lo explorable: el denominado "fondo de neutrinos". Este "fondo" coincide con la sección eficaz de los neutrinos procedentes de los primeros instantes del Universo, si la materia oscura estuviese en esta región sería muy difícil distinguirla, por esto, algunos físicos piensan que el experimento DARWIN significaría la última oportunidad para encontrar WIMPS.


Fuentes: Astro2020 Science White Paper, Planck 2018 results. Constraints on inflation,Aspen 2019 Winter Conference

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