Nudos cósmicos podrían explicar la existencia del Universo

En 1867, Lord Kelvin imaginó que los átomos eran pequeños nudos en un medio invisible llamado éter. Aunque esta idea fue desechada, los científicos han encontrado que estructuras similares podrían ayudar a responder una de las preguntas más profundas de la ciencia: ¿por qué existe algo en el universo?

Un equipo de físicos en Japón demostró que los nudos cósmicos pueden aparecer de manera natural en un modelo de física de partículas que también aborda varios misterios, como los orígenes de las masas de los neutrinos, la materia oscura y el problema CP fuerte. Su estudio, publicado en Physical Review Letters, sugiere que estos "nudos cósmicos" podrían haberse formado en el violento universo primitivo, dominando brevemente como una forma de energía y luego colapsando de manera que favoreciera ligeramente a la materia sobre la antimateria. A medida que se formaban y decaían, estos nudos habrían agitado el propio espacio-tiempo, produciendo un patrón distintivo de ondas gravitacionales que futuros detectores podrían captar.

El autor principal del estudio, Muneto Nitta, profesor en el Instituto Internacional de Sostenibilidad con Materia Meta Quiral Anudada (WPI-SKCM2) en Hiroshima, afirmó: "Este estudio aborda uno de los misterios más fundamentales de la física: por qué nuestro universo está hecho de materia y no de antimateria. Esta pregunta es importante porque toca directamente por qué existen las estrellas, las galaxias y nosotros mismos".

El desequilibrio entre materia y antimateria

Según la teoría del Big Bang, el universo debería haber comenzado con cantidades iguales de materia y antimateria. Cada partícula de materia tiene una pareja de antimateria con la misma masa pero carga opuesta, y cuando se encuentran, se aniquilan en energía pura. Si todo hubiera estado equilibrado, toda la materia y antimateria se habrían destruido, dejando solo radiación.

Sin embargo, casi todo lo que observamos hoy está hecho de materia, con casi ninguna antimateria visible en el cosmos. Cálculos simples muestran que el universo observable, desde átomos individuales hasta cúmulos de galaxias, existe porque, en el universo temprano, solo una partícula de materia extra sobrevivió por cada mil millones de pares de materia-antimateria.

El Modelo Estándar de la física de partículas, que describe con éxito la mayoría de las partículas y fuerzas conocidas, no puede explicar esta pequeña pero crucial asimetría. Sus predicciones sobre el exceso de materia son insuficientes. Comprender cómo surgió ese pequeño excedente de materia, un proceso conocido como baryogénesis, sigue siendo uno de los problemas centrales no resueltos en física.

Construyendo un nuevo modelo con nudos cósmicos

Nitta y Minoru Eto del WPI-SKCM2, junto con Yu Hamada del Deutsches Elektronen-Synchrotron en Alemania, argumentaron que una solución plausible podría estar oculta en una extensión bien motivada de la física conocida. Al combinar una simetría de Número Baryónico Menos Número Leptónico (B-L) con la simetría de Peccei-Quinn (PQ), el equipo encontró que configuraciones anudadas estables podrían formarse naturalmente en el universo temprano y luego producir el excedente de materia observado.

Estas dos simetrías adicionales han sido estudiadas durante décadas porque ayudan a resolver algunas de las mayores deficiencias del Modelo Estándar. La simetría PQ aborda el problema CP fuerte, que pregunta por qué los experimentos no logran detectar el pequeño momento dipolar eléctrico que la teoría predice para el neutrón. Al resolver este rompecabezas, la simetría PQ introduce el axión, una partícula hipotética que es un candidato principal para la materia oscura. Al mismo tiempo, la simetría B-L proporciona una explicación natural de por qué los neutrinos tienen masa, a pesar de que interactúan tan débilmente con la materia que pueden atravesar planetas enteros sin dejar rastro.

En este modelo, la simetría PQ se mantiene como una simetría global en lugar de ser "medida", lo que protege la delicada física del axión necesaria para resolver el problema CP fuerte. Medir una simetría significa permitir que actúe independientemente en cada punto del espacio-tiempo. Esa libertad conlleva un costo, porque la teoría requiere una nueva partícula portadora de fuerza para mantener las ecuaciones consistentes. Al medir la simetría B-L, los investigadores aseguraron la existencia de neutrinos derechos pesados, que son necesarios para cancelar anomalías en la teoría y desempeñan un papel clave en muchos escenarios de baryogénesis.

Cuerdas cósmicas en el joven universo

A medida que el universo se expandía y enfriaba después del Big Bang, probablemente pasó por una serie de transiciones de fase en las que sus simetrías se rompieron en etapas. Este proceso, que puede compararse con el agua congelándose en hielo de manera desigual, pudo haber dejado atrás defectos delgados y en forma de hilo conocidos como cuerdas cósmicas. Estos objetos a menudo se describen como grietas en el espacio-tiempo y siguen siendo hipotéticos, pero muchos cosmólogos los consideran una posibilidad seria. A pesar de ser más delgados que un protón, solo una pulgada de tal cuerda podría pesar tanto como una montaña.

A medida que el universo crecía, una red de estas cuerdas se habría estirado, torcido y enredado, preservando información sobre las condiciones que existieron en los momentos más tempranos. La ruptura de la simetría B-L produjo cuerdas que se comportan como tubos de flujo magnético, mientras que la simetría PQ creó vórtices superfluídicos que no transportan flujo magnético. La marcada diferencia entre estos dos tipos de defectos es exactamente lo que permite que se ajusten entre sí. El tubo de flujo B-L proporciona una estructura para que el acoplamiento Chern-Simons del vórtice superfluídico PQ se adhiera. A su vez, este acoplamiento permite que el vórtice superfluídico PQ bombee carga eléctrica en el tubo de flujo B-L y se oponga a la tensión que normalmente haría que el lazo se encogiera y se rompiera. El resultado es un estado de larga duración, topológicamente bloqueado, conocido como solitón nudo.

"Nadie había estudiado estas dos simetrías al mismo tiempo", dijo Nitta. "Eso fue un poco afortunado para nosotros. Juntarlas reveló un nudo estable".

Una era dominada por nudos y el túnel cuántico

La radiación en el universo en expansión perdió energía gradualmente a medida que sus longitudes de onda se estiraban con el espacio-tiempo. Sin embargo, los nudos se comportaron más como materia ordinaria, por lo que su densidad de energía disminuyó mucho más lentamente. Como resultado, eventualmente llegaron a dominar sobre la radiación, creando un período en la historia cósmica en el que la energía almacenada en los nudos controló la evolución del universo.

Esta fase no duró para siempre. Los nudos finalmente se deshicieron a través del túnel cuántico, un proceso en el que las partículas cruzan barreras de energía que serían insuperables en la física clásica, como si estuvieran atravesando una pared. Cuando los nudos colapsaron, produjeron neutrinos derechos pesados como consecuencia directa de la simetría B-L incrustada en su estructura. Estas partículas muy masivas y elusivas luego se desintegraron en partículas más ligeras y estables con una ligera preferencia por la materia sobre la antimateria. Esa pequeña preferencia llevó eventualmente al universo lleno de materia que observamos hoy.

"Básicamente, este colapso produce muchas partículas, incluidos los neutrinos derechos, los bosones escalares y el bosón de gauge, como una lluvia", explicó Hamada, coautor del estudio. "Entre ellos, los neutrinos derechos son especiales porque su descomposición puede generar naturalmente el desequilibrio entre materia y antimateria. Estos neutrinos pesados se descomponen en partículas más ligeras, como electrones y fotones, creando una cascada secundaria que recalienta el universo".

"En este sentido", agregó, "son los padres de toda la materia en el universo hoy, incluidos nuestros propios cuerpos, mientras que los nudos pueden considerarse nuestros abuelos".

Vinculando la física de los nudos con el universo actual

Para probar su idea, los investigadores siguieron las consecuencias matemáticas de su modelo en detalle, incluyendo cuán eficientemente los nudos producen neutrinos derechos, cuán pesados son esos neutrinos y cuán caliente se vuelve el universo cuando se descomponen. A partir de este cálculo, el desequilibrio materia-antimateria observado hoy surge de manera natural.

Al reorganizar las ecuaciones y asumir una masa realista de 10¹² giga-electrónvolts (GeV) para los neutrinos derechos pesados, y que los nudos transfieren la mayor parte de su energía almacenada en la creación de estas partículas, el modelo predice una temperatura de recalentamiento de aproximadamente 100 GeV. Esta temperatura coincide con la última oportunidad para que el universo genere materia a partir de un desequilibrio de neutrinos. Por debajo de esa temperatura, los procesos electrodébiles que convierten una asimetría de neutrinos en un exceso de materia se apagan efectivamente.

El recalentamiento a 100 GeV también afectaría el fondo de ondas gravitacionales del universo, desplazando su espectro hacia frecuencias más altas. Futuros observatorios de ondas gravitacionales, incluyendo el Laser Interferometer Space Antenna (LISA) en Europa, Cosmic Explorer en Estados Unidos y el Deci-hertz Interferometer Gravitational-wave Observatory (DECIGO) en Japón, podrían algún día detectar este sutil cambio en la señal gravitacional cósmica.

"Las cuerdas cósmicas son una especie de solitón topológico, objetos definidos por cantidades que permanecen iguales sin importar cuánto las retuerzas o estires", dijo Eto. "Esa propiedad no solo asegura su estabilidad, sino que también significa que nuestro resultado no está ligado a los detalles del modelo. Aunque el trabajo sigue siendo teórico, la topología subyacente no cambia, por lo que vemos esto como un paso importante hacia futuros desarrollos".

De la visión de Kelvin a un modelo de nudos realista

Lord Kelvin sugirió originalmente que los nudos podrían ser los constituyentes básicos de la materia. Esa idea temprana resultó ser incorrecta, pero el nuevo trabajo recupera el espíritu de su propuesta de una manera más sofisticada. Los investigadores argumentan que sus resultados "proporcionan, por primera vez, un modelo de física de partículas realista en el que los nudos pueden desempeñar un papel crucial en el origen de la materia".

"El siguiente paso es refinar los modelos teóricos y simulaciones para predecir mejor la formación y el decaimiento de estos nudos, y conectar sus firmas con señales observacionales", dijo Nitta. "En particular, los próximos experimentos de ondas gravitacionales como LISA, Cosmic Explorer y DECIGO podrán probar si el universo realmente pasó por una era dominada por nudos".

En última instancia, el equipo espera determinar si las estructuras similares a nudos fueron realmente esenciales en la creación de la materia en el universo. Si es así, podrían ayudar a armar una historia más completa y físicamente comprobable de cómo comenzó el cosmos.

Temas