Acercándose al inflatón, la «madre del universo»

A la partícula inflatón se le acredita la generación del universo y de impulsar su inflación. Todavía está por ser descubierta, pero se le están está agotando rápidamente los lugares donde ocultarse, gracias al marco teórico conocido como la supersimetría (SUSY)

Enormes y en su mayor parte extintas, las partículas supersimétricas son los dinosaurios de la física de partículas. Cada una de estas «spartículas» es socia de una partícula conocida, y ya han solucionado varios problemas cosmológicos, como allanar el camino para la largamente buscada gran teoría unificada de la física.

Ahora dos teorías sugieren que el elusivo inflatón podría estar compuesto de algunas spartículas, y se cree que son las que han causado la separación del espacio-tiempo en los albores del universo.

Si la teoría resulta ser correcta, contituiría un primer vistazo al proceso de la inflación cósmica. Es más, una de las nuevas teorías será probada pronto gracias a las colisiones que ocurren en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN cerca de Ginebra, Suiza.

La mayor parte del período de la inflación está envuelto en un misterio. De lo que estamos seguros es que en una fracción de un nanosegundo después del Big Bang, el universo se expandió desde un tamaño más pequeño que un protón a algo del tamaño «entre una pelota de fútbol y un campo de fútbol», dice Stefan Antusch del Instituto Max Planck de Física en Munich, Alemania.

Se cree que la energía que impulsó esta expansión más rápida que la luz estaba almacenada en un campo, similar a un campo magnético o gravitacional. Cada campo tiene una partícula asociada, según el modelo estándar de la física, la teoría de que abarca con éxito todas las partículas conocidas, al igual que tres de las cuatro fuerzas que actúan sobre ellas. En el caso del campo que se piensa que impulsó la inflación, acertadamente, los físicos han llamado inflatón a esta partícula.

Aunque poco se sabe, si el inflatón existiera, debe haber generado toda la materia en el universo a partir de la energía almacenada en su campo, por lo que Antusch la llama la «madre del universo». Esto también tendría que ser coherente con el modelo estándar. Como resultado, algunos físicos que están tratando de reconstruir la identidad de la inflatón han vuleto su atención a SUSY, que es una extensión del modelo estándar.

Se había sugerido antes que la inflación fue impulsada por la partícula de Higgs; partícula que, se piensa, es la que le da la masa a todas las demás, más su socia supersimétrica.

Ahora esta noción está en fuerte competencia con dos modelos del inflatón basados en SUSY, ambos presentados en el Taller Internacional sobre la Interconexión entre la Física de Partículas y la Cosmología, en julio.

Uno de ellos, elaborado por el Grupo de Antusch, asume la gran unificación que permite SUSY: en esta versión de los inicios del universo, las energías ultra altas significan que la fuerza electromagnética está unificada con las fuerzas nucleares fuerte y débil, mientras que cada partícula y spartícula es inditinguible de las otras partículas. Esta partícula «unificada» es una buena candidata potencial para ser el inflatón.

Hasta hace poco, sin embargo, a esta idea todavía le faltaba un ingrediente crucial. Para impulsar el espacio-tiempo a separarse, el campo de inflatón debe mantener una energía potencial en un espacio aparentemente vacío, conocido como «vacío de energía». Pero los físicos han estado convencidos de que una partícula unificada sería demasiado rápida para aportar la energía de su campo, lo que resulta en que no exista una inflación.

Ahora Antusch y sus colegas han encontrado una manera de extender el tiempo en el que el campo tiene alta energía de vacío, prolongando el período en que la partícula unificada existe casi sin masa (arxiv.org/abs/1003.3233).

Su método, que se está por publicar en el Journal of High Energy Physics, se basa en una simetría matemática que se encuentra a menudo en la teoría de cuerdas. Esto hace que sea elegante y lógica, y por lo tanto atractiva. Pero Rabindra Mohapatra de la Universidad de Maryland en College Park, tiene dudas. «Las simetrías son difíciles de probar», advierte.

Sin embargo, el fondo cósmico de microondas (CMB, del inglés Cosmic Microwave Background), la radiación reliquia del Big Bang, podría ofrecer algunas pistas. Observaciones del satélite Planck, que mide la CMB, pueden revelar señales de ondas gravitacionales producidas durante la inflación. En este caso, estas señales descartarían la teoría Antusch, debido a que las ondas que ésta predice son demasiado pequeñas para que Planck las detecte, pero los detectores futuros de ondas gravitatorias podrían ser capaces de detectarlas.

Para el modelo rival basado en SUSY, desarrollado por Rouzbeh Allahverdi en la Universidad de Nuevo México en Albuquerque y sus colegas, la capacidad de prueba no está limitada a fenómenos en el espacio profundo: se puede probar por medio de colisiones de partículas que ya se están produciendo en el LHC. Esto es porque, a diferencia del modelo Antusch, la inflación se produce muy por debajo de la escala de energía necesaria para la gran unificación. Establece límites a la masa del inflatón de entre 0,1 y 1 billón de electronvoltios, bien dentro de la capacidad del LHC de 14 billones de electrón-voltios (arxiv.org/abs/1007.0708).

También significa que las partículas no están unificadas como en el modelo Antusch, sino que son entidades separadas que se pueden considerar como puntos energéticos en campos diferentes. Así que se puede pensar en cada electrón como una excitación en el campo electrón y cada selectrón —pareja supersimétrica del electrón— como una excitación del campo selectrón.

El equipo de Allahverdi tiene la hipótesis de que el inflatón podría haber sido producido por una excitación en una combinación de spartículas conocidas y campos de partículas, así que se pusieron a buscar una combinación que podría mantener una energía suficientemente alta durante un tiempo suficiente para impulsar el universo hacia afuera.

Encontraron dos opciones, en ambas participan los campos de spartícula: una formada de superparejas de partículas del tipo electrón y otra formada de superparejas de los quarks que componen un neutrón.

En cualquier escenario, los campos componentes están estrechamente vinculados durante la inflación, proporcionando la energía necesaria para impulsar la expansión. Finalmente, los campos se desconectan, la inflación termina y el inflatón irradia energía en forma de partículas, generando el contenido del Universo. La última versión de este modelo se publicará en Physical Review D.

Keith Olive, de la Universidad de Minnesota en Minneapolis, no puede aceptar el grado en que la teoría se basa en ajustes muy precisos de parámetros que, en sí mismos, siguen siendo ampliamente desconocidos. «Aunque sería bueno poder asociar la inflación con la física de ‘baja energía’, los modelos tienen un alto precio», dice.

Pero Mohapatra señala la fuerza de la teoría: «Han sido capaces de asociar ideas muy abstractas del universo primitivo a pruebas experimentales». El LHC no encontrará el inflatón en sí, sino que puede revelar las masas de las spartículas que se cree que lo componen, lo que permitiría probar la teoría de Allahverdi.

Mohapatra caracteriza los dos nuevas teorías como campos opuestos, cada uno con sus propios méritos: Allahverdi construye el inflatón desde las partículas que todavía existen hoy, mientras que Antusch lo deriva «de arriba hacia abajo» de las condiciones que se cree que existían en el universo primordial. Los resultados que favorezcan una u otra no sólo ayudarán a desentrañar el proceso de la inflación, sino que también arrojarían luz sobre la naturaleza de estas extrañas partículas «dinosaurio».

En el comienzo de la versión impresa de este artículo en la revista New Scientist dice: «Enormes y en su mayoría extintas, capaces sin embargo de transformarse en entidades más ligeras que sobreviven hoy en día, las partículas supersimétricas son los dinosaurios de la física de partículas».

«En el marco teórico conocido como la supersimetría (SUSY), estas spartículas —cada una de ellas asociada a una partícula conocida— ya han resuelto algunos problemas cosmológicos, como allanar el camino para la largamente buscada gran teoría unificada de la física».

«Ahora dos teorías sugieren que algunas spartículas también podrían ser los componentes del elusivo inflatón, la partícula a la que se le acredita la separación del espacio-tiempo en los albores del universo.»

Buscando desesperadamente a SUSY

Nacido en la destrucción producida por una colisión de protones, el gluino es impulsado dentro el detector Compact Muon Solenoid (CMS) y queda atrapado.

Atrapado en cualquiera de los discos de hierro que guían el campo magnético o el silicio y cristal de los detectores internos, la partícula queda suspendida durante momentos cruciales. Luego se desintegra en quarks y gluones, que producen «chorros» detectables que se ven como conos de energía en las imágenes de sucesos del CMS. Pero el proceso no está sincronizado con otras colisones, haciendo que la señal del gluino resalte.

Muchos defensores de la teoría de la supersimetría (SUSY) esperan que esta situación se reproduzca dentro de un año desde ahora en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, cerca de Ginebra, Suiza, sede del CMS. Constituiría la primera evidencia firme de SUSY, que le asigna una «supersocia» oculta a cada partícula conocida, y se compromete a resolver algunos grandes misterios.

El gluino es el hipotético supersocio de los gluones, que sostienen unido el núcleo. Es sólo una de las muchas superpartículas que podrían materializarse en el LHC. Pero puede ser que su señal, que según se espera sería clara y posiblemente con un alto promedio de abundancia, se vea antes que el resto. «Esta es una de las razones por las que decidí estudiar los gluinos; sabíamos que deberían producirse a una tasa suficientemente alta como para verlo en los primeros datos», dice John Paul Chou de la Universidad Brown en Providence, Rhode Island.

CMS ya ha empezado a proporcionar datos que permiten que los físicos fijen su atención en la masa del gluino, un primer paso hacia su identificación, o para descartar su existencia. Chou dice que una vez que el LHC alcance su capacidad diseñada, lo que podría ocurrir en el próximo año, se podría encontrar el gluino en sólo unos meses de recopilación de datos del CMS.

Fuente: New Scientist. Aportado por Eduardo J. Carletti

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