Una segunda inflación explicaría el exceso de materia oscura

Artículo publicado el 14 de enero de 2016 en BNL News

Los físicos sugieren que un segundo periodo inflacionario en los momentos posteriores al Big Bang podría explicar la abundancia de la misteriosa materia.

La cosmología estándar – es decir, la Teoría del Big Bang con su periodo inicial de crecimiento exponencial, conocido como inflación — es el modelo científico predominante para nuestro universo, en el cual todo el espacio y el tiempo se hinchó a partir de un punto muy denso y caliente para formar una vastedad homogénea en eterna expansión. ¿Pero qué sucedería si no todo se debiera a la inflación?

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Big Bang

Una nueva teoría desarrollada por físicos del Brookhaven National Laboratory, el Fermi National Accelerator Laboratory, y la Universidad Stony Brook, que se publica en línea el 18 de enero en Physical Review Letters, sugiere un periodo inflacionario secundario más corto que podría explicar la cantidad de materia oscura que se estima que existe en todo el cosmos.

“En general, una teoría fundamental de la naturaleza puede explicar ciertos fenómenos, pero puede que no siempre termine arrojando la cantidad adecuada de materia oscura”, señala Hooman Davoudiasl, director del grupo en el Grupo Teórico de Altas Energías en el Brookhaven National Laboratory y uno de los autores del artículo. “Si terminas con muy poca cantidad, se puede sugerir otra fuente, pero tener demasiada es un problema”.

Medir la cantidad de materia oscura del universo no es una tarea sencilla. Después de todo es oscura, por lo que no interacciona de ninguna forma significativa con la materia común. No obstante, los efectos gravitatorios de la materia oscura dan a los científicos una buena idea sobre cuánta puede haber ahí fuera. Las mejores estimaciones indican que forma aproximadamente un cuarto del total de masa-energía del universo, mientras que la materia común – la que forma las estrellas, los planetas, y a nosotros – apenas suma un 5 por ciento. La materia oscura es la forma predominante de sustancia en el universo, lo que lleva a los físicos a pensar teorías y experimentos para explorar sus propiedades y comprender cómo se originó.

Algunas teorías que explican de forma elegante algunas rarezas de la física – por ejemplo, la desorbitada debilidad de la gravedad en comparación con las otras interacciones fundamentales, tales como la electromagnética, la nuclear fuerte, y la nuclear débil — no puede aceptarse totalmente debido a que predicen más materia oscura de lo que puede derivarse a partir de las observaciones empíricas.

Esta nueva teoría resuelve dicho problema. Davoudiasl y sus colegas añaden un paso a los acontecimientos comúnmente aceptados en el origen del espacio y el tiempo.

En la cosmología estándar, la expansión exponencial del universo, conocida como inflación cósmica, empezó, tal vez, a los 10^-35 segundos después del inicio del tiempo. Esta expansión explosiva de todo el espacio duró apenas una fracción de segundo, llevando finalmente a un universo caliente, seguido por un periodo de enfriamiento que ha continuado hasta la fecha. Luego, cuando el universo apenas tenía segundos o minutos de antigüedad – es decir, ya estaba lo bastante frío – empezó la formación de elementos ligeros. Entre estos dos hitos, pudo haber otro periodo inflacionario, señala Davoudiasl.

“No habría sido tan grande ni violento como el inicial, pero podría explicar una disminución de la materia oscura”, apunta.

Al principio, cuando las temperaturas superaban los miles de millones de grados en un volumen relativamente pequeño de espacio, las partículas de materia oscura podían impactar entre sí y aniquilarse en el contacto, transfiriendo su energía a los constituyentes estándar de la materia — partículas como electrones y quarks. Pero conforme seguía expandiéndose y enfriándose el universo, las partículas de materia oscura se encontraban con menos asiduidad, y la tasa de aniquilación no se mantendría con el ritmo de expansión.

“En este punto, la abundancia de materia oscura está ya definida”, comenta Davoudiasl. “Recuerda, la materia oscura interactúa muy débilmente, por lo que no se puede mantener una tasa de aniquilación significativa a temperaturas más bajas. La auto-aniquilación de materia oscura se hace ineficiente muy pronto, y la cantidad de partículas de materia oscura queda fija”.

Sin embargo, cuanto más débiles son las interacciones de materia oscura, es decir, menos eficiente es la aniquilación, mayor es la abundancia final de partículas de materia oscura que encontraríamos. Dado que los experimentos establecen unas restricciones cada vez mayores a la fuerza de las interacciones de la materia oscura, existen algunas teorías actuales que terminan sobrestimando la cantidad de materia oscura del universo. Para alinear estas teorías con las observaciones, Davoudiasl y sus colegas sugieren que tuvo lugar otro periodo inflacionario, disparado por las interacciones en un “sector oculto” de la física. Este segundo y más suave periodo de inflación, caracterizado por un rápido incremento de volumen, disminuiría la abundancia de partículas primordiales, dejando potencialmente al universo con la densidad de materia oscura que vemos hoy.

“Definitivamente no es una cosmología estándar, pero tienes que aceptar que el universo puede no estar regido por la forma estándar en que pensamos”, explica. “Pero nosotros no necesitamos construir nada complejo. Demostramos cómo un simple modelo puede lograr esta pequeña cantidad de inflación requerida en los inicios del universo, y explicar la cantidad de materia oscura que creemos que hay ahí fuera”.

Demostrar esta teoría es otra cuestión totalmente distinta. Davoudiasl dice que puede haber una forma de buscar, al menos, las interacciones más débiles entre el sector oculto y la materia común.

“Si tuvo lugar el periodo inflacionario, podría caracterizarse mediante las energías dentro del ámbito de los experimentos de aceleradores como el RHIC y el LHC”, señala. Sólo el tiempo dirá si las señales de un sector oculto se muestran en las colisiones de estos proyectos, o en otras instalaciones experimentales.