Nuevos análisis realizados en el experimento LHCb apuntan a la inexistencia de una partícula primordial específica, el inflatón, presente en la expansión rápida del Universo tras el Big Bang.

En los primeros momentos después del Big Bang, el Universo fue capaz de expandirse incluso miles de millones de miles de millones de veces más rápido que hoy. Se ha especulado que en esa expansión rápida había a un campo de fuerza primordial, actuando con una partícula, el inflatón, con las características del bosón de Higgs pero menos masivo.

Físicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias de Cracovia y de la Universidad de Zúrich (UZH) buscaron huellas de inflatones en la decadencia de los mesones B + registrados por los detectores en el experimento LHCb en el CERN (European Organization for Nuclear Research), cerca de Ginebra. Sin embargo, el análisis detallado de los datos, realizado con los fondos proporcionados por el Centro Nacional de Ciencias de Polonia, pone un gran signo de interrogación sobre su existencia.

A pesar de tener efectos débiles, la gravedad decide sobre la aparición del Universo en sus escalas más grandes. Como consecuencia, todos los modelos cosmológicos modernos tienen sus fundamentos en nuestra mejor teoría de la gravedad: la teoría general de la relatividad de Albert Einstein. Ya los primeros modelos cosmológicos construidos sobre la teoría de la relatividad sugieren que el Universo fue una creación dinámica.

Hoy sabemos que era extremadamente denso y caliente, y hace 13.800 millones de años de repente comenzó a expandirse. La teoría de la relatividad permite predicciones del curso de este proceso a partir de fracciones de segundo después del Big Bang.

“Uno de los primeros supervivientes de estos eventos visibles hasta el día de hoy es la radiación de fondo de microondas que se formó unos cientos de miles de años después del Big Bang. Corresponde actualmente a una temperatura de unos 2.7 kelvin y llena uniformemente todo el Universo. Su homogeneidad ha demostrado ser un gran rompecabezas”, dice en un comunicado Marcin Chrzaszcz (IFJ PAN).

“Cuando miramos al cielo, los fragmentos del espacio profundo visibles en una dirección pueden estar tan alejados de los visibles en otra dirección que la luz todavía no ha tenido tiempo de pasar entre ellos. Por lo tanto, nada de lo que ha sucedido en una de estas áreas debe afectar a la otra. Pero donde quiera que miramos, la temperatura de las regiones distantes del cosmos es casi idéntico ¿cómo podría haber llegado a ser tan uniforme?”.

La uniformidad de la radiación de fondo de microondas se explica por el mecanismo propuesto por Alan Guth en 1981. En su modelo, el Universo inicialmente se expandió lentamente y todos sus fragmentos observados hoy tuvieron tiempo para interactuar y nivelar la temperatura. Según Guth, en algún momento, sin embargo, debe haber habido una expansión muy corta pero extremadamente rápida del espacio-tiempo. El nuevo campo de fuerza responsable de esta inflación expandió al Universo hasta tal punto que hoy exhibe una notable uniformidad (en lo que respecta a la temperatura del fondo cosmológico de microondas).

“Un nuevo campo siempre significa la existencia de una partícula que es la portadora del efecto. La cosmología se ha convertido así en interesante para los físicos que examinan los fenómenos en la microescala. Por largo tiempo, un buen candidato para el inflaton parecía ser el famoso bosón de Higgs. Pero cuando en 2012 se observó finalmente el Higgs en el acelerador europeo del LHC, resultó ser demasiado pesado. Si Higgs con su masa era responsable de la inflación, la radiación actual parecería diferente de lo observado actualmente por los satélites COBE, WMAP y Planck”, dice Chrzaszcz.

Los teóricos propusieron una solución a esta situación sorprendente: el inflaton sería una partícula completamente nueva, con las propiedades de Higgs, pero con una masa claramente más pequeña. En la mecánica cuántica, la naturaleza idéntica de las características hace que las partículas puedan oscilar: se transforman cíclicamente las unas en las otras. Un modelo de inflación construido de esta manera tendría sólo un parámetro, que describa la frecuencia de oscilación/transformación entre el inflatón y el bosón de Higgs.

“La masa del nuevo inflatón podría ser lo suficientemente pequeña como para que la partícula aparezca en la decadencia de los mesones B +. Y estos mesones son partículas registradas en gran número por el experimento LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones. Así que decidimos buscar la decadencia mesones pasando por la interacción con el inflatón en los datos recogidos en el LHC en 2011-12”, dice la estudiante de doctorado Andrea Mauri (UZH).

Si los inflatones de luz realmente existieran, el mesón B + a veces se desintegraría en un kaon (K + mesón) y una partícula de Higgs, que se convertiría en un inflaton como resultado de la oscilación. Después de viajar unos metros en el detector, el inflaton se desintegraría en dos partículas elementales: muón y antimuón. Los detectores del experimento LHCb no registrarían la presencia del Higgs o del inflaton. Los investigadores, sin embargo, esperaban ver la emisión de kaones y la aparición de pares muón-antimuño, respectivamente.

“Dependiendo del parámetro que describe la frecuencia de la oscilación de inflaton-Higgs, el curso de la descomposición del mesón B + debería ser ligeramente diferente. En nuestro análisis estábamos buscando decaimientos de hasta 99% de los posibles valores de este parámetro, y no los encontramos. Por lo tanto, podemos decir con gran seguridad que el inflaton simplemente no existe”, dice Chrzaszcz.

Teóricamente, el inflaton de baja masa todavía puede estar oculto en un por ciento de las variaciones no examinadas de la oscilación. Estos casos serán finalmente excluidos por los análisis futuros usando datos más recientes que ahora están siendo recolectados en el LHC. Sin embargo, los físicos tienen que acostumbrarse lentamente a la idea de que si existe inflatón, es una partícula más masiva de lo que se pensaba o que ocurre en más de una variación. Si, con el tiempo, estas variantes también resultan no corresponder a la realidad, la inflación, que explica tan bien la homogeneidad observada del Universo, se convertirá – muy literalmente – en el mayor misterio de la cosmología moderna.

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