Medidas cosmológicas de la expansión del Universo y la energía oscura
Uno de los descubrimientos cosmológicos más importantes y trascendentes de los últimos tiempos fue el hallazgo (corroborado por experimentos posteriores) de que la expansión del Universo se estaba acelerando. La comunidad científica quedó completamente asombrada ¿Qué fuerza-energía oculta podría causar un efecto tan dramático? Los principales candidatos son dos:
- La constante cosmológica de la relatividad general: Esta constante representa la energía asociada al vacío del propio espacio-tiempo y actúa como una fuerza repulsiva.
- Un nuevo campo escalar con presión negativa: Durante la inflación cósmica un campo denominado "inflatón" con presión negativa causó una brevísima expansión exponencial del Universo. ¿Podría ser un campo de este tipo el causante de esta nueva fase de expansión acelerada?
Mientras que la primera opción podría enmarcarse de forma natural dentro de la teoría de la relatividad, la segunda opción no es menos plausible que la primera: este proceso de expansión acelerada ya ha ocurrido en los primeros instantes del Universo y por tanto el mecanismo físico responsable (la física de la inflación) forma parte de nuestro modelo cosmológico estándar. Averiguar cual es la naturaleza de la llamada "energía oscura" responsable de la expansión acelerada es uno de los retos más grandes de la física fundamental y de la cosmología y hay numerosos experimentos presentes y futuros para tratar de buscar una respuesta a esta cuestión.
Además, la naturaleza de la energía oscura puede servir para comprobar nuestras teorías más punteras sobre gravedad cuántica: la segunda opción es claramente favorecida por la teoría de cuerdas, hasta el punto de que hay físicos que opinan que descartar la segunda opción significaría la refutación de nuestra mejor teoría candidata a unificar mecánica cuántica y relatividad. Es posible que la respuesta esté más cerca de lo que creemos: combinando los datos del telescopio Vera Rubin y el satélite Euclid (previstos para 2022) con los de la red de antenas SKA (prevista para 2027) se podría obtener un limite para el valor de |V´|/V < 0,16 (este cociente mide la rapidez con la que el potencial del nuevo campo escalar también llamado "quintaesencia" rueda por la "colina" de falso vacío). Este valor es prácticamente irreconciliable con cualquier modelo basado en teoría de cuerdas (1)
Experimentos con neutrinos
Los neutrinos son posiblemente las partículas más obícuas o "fantasmagóricas" del Universo: unos 200 billones de ellos procedentes del Sol atraviesan tu cuerpo en un segundo. Los neutrinos son fermiones (partículas de spin 1/2) y siempre aparecen en dos grupos: partícula-antipartícula y derecha-izquierda. Los fermiones en los cuales la partícula y antipartícula son la misma se denominan fermiones de Majorana y cuando no es así se denominan fermiones de Dirac.
Muchos físicos piensan que los neutrinos constituyen nuestra mejor baza para encontrar física más allá del SM, de hecho, existen ya datos experimentales como la pequeña masa de los neutrinos que obligan a modificar la formulación "estándar" del SM. Una de las cuestiones fundamentales sobre estas partículas es averiguar si son fermiones de Dirac o de Majorana. Analicemos ambas posibilidades:
1º) Neutrinos como partículas de Dirac. Si la naturaleza "escogió" esta opción entonces existirán los 4 posibles tipos de neutrinos de la formulación "estándar" para los fermiones: neutrino izquierdo, neutrino derecho y sus dos antipartículas asociadas. Los neutrinos de Dirac obtienen su masa conforme al siguiente esquema:
Esta posibilidad genera varios problemas: no resuelve el problema de la asimetría materia-antimateria en los primeros instantes del Universo, no resuelve el problema de la jerarquía ( la enorme diferencia de energía entre quarks y neutrinos) o el problema de la simetría "accidental" entre leptones-antileptones. Por esto muchos físicos esperan que la naturaleza haya optado por la siguiente opción.
2º) Neutrinos como partículas de Majorana. Si la naturaleza optó por esta opción entonces los neutrinos y los antineutrinos son la misma partícula. Esto concedería a estas partículas una capacidad sorprendente: los neutrinos podrían aniquilarse entre si. Pero ¿por que muchos físicos prefieren esta opción? La respuesta es que esta opción podría resolver el problema de la asimetría materia-antimateria primordial, explicaría la pequeña masa de los neutrinos y lo que es más importante: implicaría la existencia de una nueva escala de la Física fundamental, es decir, si los neutrinos son de Majorana entonces debe existir nueva física más allá del SM. Esto es debido a que los neutrinos de Majorana obtienen su masa mediante el siguiente diagrama:
En el centro del diagrama debe producirse el intercambio de una nueva partícula cuya masa está asociada a la nueva escala de energía "delta".
Pero, ¿Como podemos saber si los neutrinos son de Dirac o de Majorana?
La radiación Beta usual consiste en que un núcleo de un átomo radiactivo emite un electrón y un neutrino electrónico. Esto es debido a que un neutrón del núcleo se convierte en un protón o lo que es lo mismo un quark down se convierte en un quark up (transformando un protón en un neutrón). Si esto sucede en dos núcleos distintos tenemos la denominada desintegración doble Beta:
Si los neutrinos son su propia antipartícula entonces sería posible la siguiente "extraña" desintegración:
Si nos fijamos en el centro del diagrama observamos algo bastante inusual: si los neutrinos son su propia antipartícula entonces pueden desintegrarse entre si. La energía de la desintegración correspondería a la energía de una nueva partícula mL. Esta escala de energía supondría una nueva escala de la física más allá del SM. Existen numerosos experimentos en curso para tratar de detectar este proceso que nos conduciría directamente a una nueva etapa de la física fundamental.
Además de este proceso, los neutrinos nos ofrecen más posibilidades para encontrar nueva física como puede verse en la siguiente figura:
Desintegración del protón
El protón se encuentra en el núcleo (literalmente) de toda la materia del Universo: toda la materia conocida está formada por protones, neutrones y electrones. En física de partículas existe una ley denominada conservación del número bariónico que nos indica que la cantidad de bariones (quarks) debe conservarse. El protón está compuesto de quarks y por tanto es la partícula compuesta ligera más estable: la cadena permitida de desintegraciones acaba en el protón. El protón no puede desintegrarse en partículas más ligeras ya que su desintegración implicaría la violación de la conservación del número bariónico. Pero, ¿que sucedería si existiesen nuevas simetrías y por tanto nuevas partículas más allá de las conocidas?
La clave es que la rotura de estos nuevos grupos genera nuevos bosones (llamados de forma muy original bosones X e Y) y nuevas representaciones que permiten que el número de bariones no se conserve. De esta forma el protón ya no sería el barión estable más ligero y por tanto el protón debe desintegrarse. El proceso de desintegración más probable sería: p--pi0+e+. Hay que darse cuenta que esta desintegración es un proceso que implica altísimas energías y por tanto este proceso sería una ventana a nuevos procesos físicos más allá del SM.
Esta desintegración está siendo buscada por experimentos de neutrinos situados varios kilómetros bajo tierra, el experimento superkamiokande ha situado la cota inferior de vida media del protón en ¡ 10exp34 años ! En los próximos años se van a poner en funcionamiento 3 experimentos denominados DUNE, HYPERKAMIOKANDE y JUNO que permitirán explorar la desintegración del protón a energías más de 10 veces superiores.
Experimentos de alta precisión
La detección de nuevos campos cuánticos y nuevas partículas puede producirse a través de experimentos de alta precisión. La tecnología actual ha conseguido un nivel de precisión inimaginable unas pocas décadas atrás, por ejemplo, la precisión de los dispositivos ópticos como los interferómetros equivale a detectar ¡ desplazamientos del tamaño de un átomo en una distancia entre la Tierra y el Sol !
Los experimentos de alta precisión pueden clasificarse en dos grupos: experimentos basados en efectos a grandes distancias y experimentos basados en escalas atómicas o moleculares.
Experimentos a grandes distancias
Estos experimentos son especialmente sensibles a nuevas partículas de baja masa ya que pueden desplazarse grandes distancias. Estas partículas estarían asociadas a nuevas fuerzas de largo alcance.
En estos experimentos se utiliza un cuerpo muy masivo como puede ser la Luna, la Tierra o el Sol que sirve como emisor potencial de nuevas partículas y un receptor de alta precisión. Estos receptores son principalmente:
- Péndulos de torsión: Capaces de medir fuerzas de torsión anómalas
- Interferómetros atómicos: Capaces de medir aceleraciones anómalas
- Relojes atómicos y medidas de espectroescopía: Capaces de medir desplazamientos de frecuencia anómalos
- Magnetómetros: Para medir precisiones de spin anómalas
Experimentos a distancias microscópicas
Estos experimentos son especialmente sensibles a nuevas partículas de gran masa que solo pueden desplazarse a distancias atómicas o moleculares. Estas partículas estarían asociadas a nuevas fuerzas de corto alcance. Estos experimentos se basan en la observación de pequeñas desviaciones respecto a las predicciones teóricas de ciertas magnitudes principalmente:
- Desviaciones en los espectros de átomos, iones y moléculas.
- Violaciones de cantidades conservadas (carga-paridad, etc)
- Variaciones en medidas del momento dipolar eléctrico de átomos y moléculas.
La imagen superior de la izquierda muestra los limites actuales para la interacción de una nueva partícula escalar con el fotón. La imagen superior de la derecha muestra los límites explorados para la violación de la simetría PT en la interacción entre un núcleo atómico y un electrón a través de una nueva partícula escalar.
La imagen superior muestra los limites explorados para la interacción entre una nueva partícula pseudoescalar y un núcleo atómico.
Existen actualmente un gran número de proyectos experimentales que podrían detectar nuevas partículas más allá de las que predice el SM, además, las mejoras esperadas en la sensibilidad para los próximos años aumentan de manera notable las probabilidades de detección.
Conclusiones
Prácticamente ningún físico teórico duda de que en el Universo que nos rodea existen numerosos procesos físicos nuevos por descubrir. Hay pruebas aplastantes de que el SM no es la teoría definitiva sobre los procesos fundamentales y que debe formar parte de una teoría más general. Existen numerosos candidatos como las GUT o la Teoría de Cuerdas. En los próximos años podríamos obtener valiosas pistas experimentales que nos ayuden a descubrir los más profundos secretos de la naturaleza.
Fuentes: Neutrino physics, Neutrino mass models: a road map,The string theory swampland in the Euclid,SKA and Vera Rubin observatory era, Searches for new particles including dark matter with atomic, molecular and optical systems