Transiciones de fase cosmológicas en el primer segundo después

Transiciones de fase cosmológicas en el primer
segundo después del Big Bang
Investigadores de la UAM y del California Institute of Technology teorizan sobre
los primeros instantes del Universo.
UAM | Octubre 1 de 2010
La teoría del Big Bang describe la expansión del Universo, pero no explica el "Bang"
en sí, es decir, el origen del Universo. En particular, deja la puerta abierta a la
especulación sobre la física característica del Universo durante el primer segundo
desde su creación. Aunque un segundo parece muy poco tiempo, de acuerdo a la
física de partículas muchos procesos físicos podrían haber ocurrido durante dicho
“primer” segundo.
En la actualidad, se investiga activamente cómo dichos procesos podrían haber
producido ciertas señales observables que, de ser detectadas, nos proporcionarían
información directa sobre la física de aquellos instantes primigenios. Si algún día
queremos llegar a comprender cómo fue el Universo primitivo, predecir teóricamente
estas señales resulta fundamental.
Entre los diversos procesos físicos que se piensa que pudieron ocurrir durante el
primer segundo del Universo, se encuentran las transiciones de fase cosmológicas, en
las que sucede un fenómeno conocido en física cómo "ruptura de simetría".
Si imaginamos un campo de materia como un vector de varios componentes, la
ruptura de simetría es un mecanismo mediante el cual el módulo de dicho campo (esto
es: la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de sus componentes), pasa de ser
cero a tomar un valor constante e igual en todos los puntos del espacio. La dirección
de sus componentes, es decir la orientación del campo, resulta sin embargo diferente
en cada lugar, si bien el campo tiende a "alinearse" (es decir, tiende a adquirir la
misma orientación) en regiones próximas. Denominando "escala causal" a la máxima
Unidad de Cultura Científica de la Universidad Autónoma de Madrid
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distancia recorrida por la luz desde el surgimiento del Universo y, ya que nada puede
viajar más rápido que la luz, la dinámica de un proceso de ruptura de simetría debe ser
tal que el campo correspondiente sólo puede alinearse en regiones espaciales
(dominios) de tamaño inferior a la escala causal del Universo. Considerando dos
puntos del espacio, A y B, separados una distancia mayor que la de la escala causal,
entonces la orientación del campo de materia en A, no puede guardar relación alguna
con la orientación del campo en B. La variación arbitraria de la orientación del campo
de materia al pasar de unas regiones a otras desconectadas causalmente, da lugar
por tanto a grandes gradientes (variaciones) del propio campo, lo que a su vez lleva
asociado una gran densidad de energía. El tamaño de los dominios en los que el
campo está alineado no es fijo, sino que crece en el tiempo y, así, a la dinámica
asociada a este crecimiento se la denomina "dinámica de auto-ordenamiento de
campos". En otras palabras, a medida que transcurre el tiempo, el campo se va
alineado en regiones mayores, lo que da lugar a que los gradientes asociados
evolucionen notablemente durante este proceso.
Simulación por ordenador de un proceso
de ruptura de simetría por un campo de
materia [Fuente: Felder et al, Phys.Rev.
D64 (2001) 123517].
Durante la ruptura de simetría el campo se
orienta hacia “arriba” o hacia “abajo”
aleatoriamente en distintos puntos del
espacio (figuras superiores). Después de la
ruptura de simetría, el campo, orientado ya
en un sentido u otro en todos los puntos
del espacio, comienza el proceso de autoordenamiento
(figuras
inferiores),
adquiriendo la misma orientación
("alineándose") en regiones cada vez
mayores.
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En un trabajo reciente, publicado en la revista Physical Review, el investigador Daniel
G. Figueroa del Departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de
Madrid, junto con los investigadores Robert Caldwell y Marc Kamionkowski del
California Institute of Technology (CALTECH), estudiaron cómo la dinámica de autoordenamiento de campos tras una transición de fase, daría lugar a la creación de
desviaciones con respecto a una distribución Gausiana, en la estadística de las
fluctuaciones primordiales de la densidad de energía cosmológica.
Dichas fluctuaciones son detectadas hoy en día con regularidad (por ejemplo en el
fondo cósmico de microondas) y, mediante el estudio de la estadística que poseen, se
espera, de hecho, encontrar señales remanentes del Universo primigenio. Caracterizar
teóricamente dichas desviaciones estadísticas "no-gausianas" es muy relevante,
puesto que pueden ser usadas como un potente discriminador entre los diversos
modelos del Universo primitivo. Por lo tanto, es muy importante determinar los detalles
exactos de nuevas fuentes potenciales de no-gausianidad, como la descrita en la
citada publicación.
En el trabajo realizado por estos investigadores se ha calculado explícitamente la
forma de cierta función denominada "bi-espectro", que caracteriza la desviación de
gausianidad en la estadística de las fluctuaciones primordiales. Si éstas últimas fueran
puramente gausianas, el bi-espectro se anularía, y de ahí la novedad de este trabajo,
pues se ha encontrado que la forma funcional del bi-espectro inducida por la dinámica
de auto-ordenamiento tras una transición de fase cosmológica, no sólo no se anula,
sino que además es diferente a la de otros casos conocidos. Esta nueva fuente de nogausianidad de hecho podría ser muy significativa, y su detección en un futuro próximo
demostraría la existencia de campos auto-ordenantes en el Universo, lo que probaría,
a su vez, que realmente hubo una transición de fase en el Universo primigenio.
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