El método científico, la energía oscura y la importancia de la quintaesencia

Dibujo20130101 expansion history universe - deceleration - acceleration

El estudio de diferentes modelos es beneficioso para la salud de la ciencia empírica, que no puede demostrar la veracidad de una hipótesis, solo refutar sus alternativas. Más aún, estas alternativas permiten identificar las hipótesis que se asumen de forma implícita durante el análisis de los datos experimentales y diseñar estrategias para su contrastación. El Modelo Cosmológico Estándar asume que la aceleración de la expansión del universo es debida a la adición de una constante cosmológica a las ecuaciones de la gravedad de Einstein para un universo copernicano (espacialmente homogéneo e isótropo a grandes escalas). Sin embargo, la teoría de la relatividad general no ha sido validada de forma independiente en las escalas en las que sucede la aceleración del universo, por ello existen alternativas teóricas. Nos lo recuerda con cierto detalle Miguel Zumalacárregui Pérez, “Probing the foundations of the standard cosmological model,” Tesis Doctoral, IFT/UAM, Oct. 2012.

Hay varias propuestas para detectar desviaciones respecto a la relatividad general a gran escala, destacando el proyecto Euclides de la ESA (Euclid Spectroscopic Survey), como nos contó Elisabetta Majerotto, “Probing deviations from General Relativity with the Euclid spectroscopic survey,” Invisibles pre-meeting, Madrid, 28th-29th of March 2012 [slides]; Elisabetta Majerotto et al., “Probing deviations from General Relativity with the Euclid spectroscopic survey,” arXiv:1205.6215. La información técnica sobre la misión de la ESA en “Euclid definition study report,” Red Book, Sep 2011.

Hoy en día se pueden descartar con bastante seguridad los modelos inhomogéneos no copernicanos, en los que nuestra galaxia está situada en un lugar especial del universo, cerca del centro de una región “vacía” (con menor densidad de materia), pues no son compatibles con todas las observaciones cosmológicas (salvo si se introducen ajustes muy finos). Ya lo comentamos en este blog en “La energía oscura del universo “vence” a la teoría del vacío cósmico local,” feb. 2009; y en”¿Realmente la expansión del universo se está acelerando? (o nunca hay que descartar otras hipótesis),” marzo 2008.

Una posibilidad aún viva son los modelos de quintaesencia, en los que se se incorpora un campo escalar a la ecuaciones de Einstein, compatible con la covariancia general de la teoría. El campo escalar contribuye a la expansión del universo mediante su potencial, que actúa como una constante cosmológica efectiva, por lo que la quintaesencia se asemeja mucho a una constante cosmológica y es muy difícil distinguir entre ambas posibilidades. Por supuesto, el campo escalar puede afectar a la formación de estructuras a gran escala en el universo, aunque se pueden ajustar sus parámetros de forma adecuada para casar con las observaciones. También hay variantes en las que el campo escalar no se acopla con la materia, solo a la curvatura, gracias a introducir ciertas auto-interacciones no lineales en el campo, lo que minimiza este problema. Sin embargo, se espera que los datos precisión sobre el fondo cósmico de microondas obtenidos por el satélite Planck puedan inferir un duro golpe a la quintaesencia en 2013, o por el contrario revitalizarla.

La tesis doctoral de Miguel Zumalacárregui Pérez me gusta porque destaca la gran importancia que tiene analizar todos los datos cosmológicos disponibles utilizando modelos alternativos al Modelo Cosmológico Estándar, ya que permite validar sus fundamentos y explorar sus límites de validez. “El estudio de teorías alternativas aporta ejemplos que permiten entender mejor el paradigma convencional, enriqueciendo el conocimiento que se tiene sobre él y las técnicas disponibles para su análisis.”

La transición de fase electrodébil en dos pasos y un campo de Higgs con varios mínimos

Dibujo20121231 higgs - two-step potentials

Mucha gente se pregunta, ¿realmente qué puede explicar el campo de Higgs además de la masa? Un campo escalar puede explicar muchas cosas si su potencial es un poco más exótico que el utilizado en el mecanismo de Higgs del Modelo Estándar Mínimo (que es el más sencillo imaginable, diseñado para explicar la masa y nada más). Un diseño adecuado del potencial permite explicar la inflación cósmica, la asimetría materia-antimateria e incluso la materia oscura. Con un potencial con varios mínimos, que requiere varios bosones de Higgs, la transición de fase electrodébil puede ocurrir en varias etapas, cada una explicando un fenómeno físico diferente en los primeros instantes de la gran explosión. El campo de Higgs en el Modelo Estándar Mínimo es un doblete escalar (1, 2, 1/2) bajo la simetría SU(3)×SU(2)× U(1), es decir, un campo con cuatro partículas, tres bosones de Goldstone no observables porque han sido “tragados” por los bosones W y Z, y un bosón de Higgs observado en el LHC. Añadir un triplete escalar que se transforme como (1, 3, 0) bajo las simetrías del Modelo Estándar permite explicar además del origen de la masa, el exceso observado en el canal difotónico en el LHC, ofrece una partícula candidata a materia oscura fría y explica la asimetría materia-antimateria. Todo gracias a la incorporación de tres nuevos parámetros libres que permiten ajustar de forma adecuada los resultados de los experimentos (bueno, ya se sabe que se puede “dibujar un elefante con solo cuatro números complejos” y con cinco lograr que mueva la trompa). Me ha resultado curioso el artículo de Hiren H. Patel, Michael J. Ramsey-Musolf, “Stepping Into Electroweak Symmetry Breaking: Phase Transitions and Higgs Phenomenology,” arXiv:1212.5652, 22 Dec 2012. No me regañéis, lo sé, se trata de un trabajo aún muy provisional (pues ni su candidato a materia oscura es razonable, ni su asimetría CP es adecuada), pero sugiere un camino interesante para los físicos jóvenes con ganas de explorar el landscape de los potenciales para el campo de Higgs.

 

Hoy este blog cumple 5 años

Un día como hoy, hace cinco años, nació “La Ciencia de la Mula Francis” con un extraño nombre “Francis (th)E mule Science’s News.” Esta entrada es la número 3.024. Y ahora mismo hay unos 15.520 comentarios. Gracias a todos por estar ahí.

La estadística de visitas según WordPress.com indica un crecimiento a un ritmo razonable y saludable.

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2008 163 3.235 5.433 9.509 10.279 10.914 10.441 13.977 20.690 22.492 21.247 17.599 145.979
2009 21.678 36.636 47.855 37.365 48.177 66.453 69.726 99.407 85.504 93.007 80.443 61.815 748.066
2010 93.627 73.190 130.909 111.769 106.755 106.653 82.955 179.038 107.402 156.194 122.143 92.442 1.363.077
2011 132.371 95.758 118.081 109.831 125.821 92.713 119.842 140.135 134.490 221.481 165.088 189.563 1.645.174
2012 167.249 217.463 264.151 214.933 257.010 190.888 219.848 194.255 240.867 273.987 244.242 163.037 2.647.930

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El cañón de vórtices, un experimento fácil de ejecutar y siempre espectacular 23.136

La fuente de las visitas a este blog en estos cinco años son las que todo el mundo puede suponer. Sin embargo, destaca Google Image Search, quizás por las fotos “eróticas” que aparecen en algunas de las entradas más visitadas.

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Desde mi blog, vosotros hacéis click a las siguientes direcciones. Destaca el gran número de clicks a DOI.org y a ArXiv.org, lo que me agrada, pues ese es el objetivo de este blog.

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Lo dicho: Gracias a todos por estar ahí.