Francis en Trending Ciencia: El campo de Higgs y la inflación cósmica

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Ya puedes escuchar mi nuevo Podcast para Trending Ciencia sobre el bosón de Higgs (siento que mi voz no sea perfecta pero la tengo un poco tocada). Como siempre una transcripción del audio.

La teoría del big bang, la gran explosión, asume que el universo inició la flecha del tiempo y la expansión cósmica hace 13 800 millones de años. Hoy en día el universo es más grande de lo necesario para explicar por qué es tan homogéneo y tan isótropo a grandes escalas. El universo visible tiene un diámetro radio de unos 93.000 millones de años luz, un radio mucho mayor que lo que puede recorrer la luz durante toda su edad, 13.800 millones de años, ya que el universo está en expansión. La explicación más sencilla es la inflación cósmica introducida en 1981 por el físico Alan H. Guth y otros físicos (como Andrei Linde, Andreas Albrecht y Paul Steinhardt). Las inhomogenidades y las anisotropías en los primeros instantes de la gran explosión serían aplanadas por una hiperaceleración brevísima de la expansión del universo en los primeros instantes del big bang que daría lugar a un universo plano, homogéneo e isótropo, compatible con el análisis del fondo cósmico de microondas observado por el telescopio espacial Planck de la ESA. Hoy en día la inflación forma parte del modelo cosmológico de consenso y muy pocos cosmólogos dudan de su existencia.

Cuando los físicos teóricos tienen un problema siempre prueban con la solución más sencilla. El responsable de la inflación cósmica, la fuente de la energía inflacionaria, debe ser repulsiva para la gravedad. La manera más sencilla de lograr energía repulsiva es mediante un campo cuántico escalar, llamado inflatón. Todos los físicos que estudian QFT empiezan estudiando los campos escalares, por ser los más sencillos, así que tienden a usar campos escalares como primera explicación para todo. Las partículas del campo inflatón se llaman inflatones. Los detalles de la inflación cósmica dependen del potencial de autointeracción del inflatón, es decir, cómo los inflatones interaccionan con otros inflatones. Este potencial determina la tasa de hiperexpansión cósmica durante la inflación y el mecanismo de parada de la hiperexpansión que resulta en la expansión cósmica de Hubble. Por fortuna, la forma exacta de este potencial conduce a diferentes tipos de inflación que se diferencian en el tamaño de las pequeñas inhomogeneidades y anisotropías que permanecen tras la inflación y que más tarde dan lugar a la formación de las primeras galaxias. El análisis de la polarización del fondo cósmico de microondas observado por el telescopio espacial Planck, que se publicará en junio de 2014, se espera que permita descartar algunos modelos para el campo inflatón, dándonos una información muy valiosa sobre este periodo primigenio del universo. 

¿Qué tiene que ver la inflación con el campo de Higgs? Como el inflatón y el Higgs son campos escalares (campos de espín cero), la primera propuesta de Alan Guth fue que el inflatón era el campo de Higgs, pero estudios posteriores apuntaron indicios en contra de esta idea. Los datos del fondo cósmico de microondas obtenidos por el telescopio espacial WMAP, asumiendo que el campo de Higgs es el campo inflatón, permiten acotar cosmológicamente la masa del bosón de Higgs como entre 135,6 GeV y 184,5 GeV. Como el bosón de Higgs observado tiene una masa menor de 125,7 GeV podemos estar bastante seguros que no es idéntico al inflatón. Lo que no quita que pueda haber alguna relación entre ambos campos. 

Por otro lado, la existencia de las partículas escalares fundamentales fue puesta en duda por algunos teóricos, pero al haberse descubierto el bosón de Higgs en el CERN es una prueba a favor de la existencia de otras partículas escalares como el inflatón. Más aún, hay varios modelos que proponen que el campo de Higgs podría ser el inflatón o al menos estar fuertemente acoplado con el inflatón. De hecho, todo depende de cómo sea el acoplo entre el campo de Higgs y la gravedad. Recuerda que en la teoría de Einstein gravitan la energía y el momento; en sentido estricto la masa no es LA fuente de la gravedad, pues incluso las partículas sin masa gravitan. La masa gravita porque es energía. Como el Higgs es un campo escalar, se puede acoplar a la gravedad usando un acoplo “no mínimo” (es decir, añadiendo al lagrangiano un término adicional con una nueva constante de acoplo a determinar de forma experimental). Un valor razonable de esta constante permite hacer compatible con los resultados experimentales el campo de Higgs como campo inflatón. En febrero de 2013 se publicó en PRL un artículo de Michael Atkins y Xavier Calmet, ambos en la University of Sussex, Brighton, UK, que estudiaba en detalle este asunto mediante una teoría efectiva, la ecuación del grupo de renormalización. Con los datos del telescopio espacial Planck de la ESA publicados en marzo de 2013 no se puede excluir esta posibilidad, pero no está favorecida por los datos del LHC en el CERN, como aclaró Alberto Salvio, de la Universidad Autónoma de Madrid y el Instituto de Física Teórica IFT-UAM/CSIC, Madrid, en un artículo que publicó en agosto de 2013.

Lo dicho, el inflatón y el Higgs son campos escalares que podrían ser el mismo campo, pero hay argumentos teóricos e indicios experimentales que apuntan a que son dos campos diferentes, aunque podrían estar acoplados de alguna forma. Hay multitud de teorías que lo afirman, pero no tengo tiempo de discutirlas.

Mañana martes 8 de octubre se anunciará a los ganadores del Premio Nobel de Física, que en mi predicción y la de muchos físicos serán Peter Higgs y François Englert.

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9 pensamientos en “Francis en Trending Ciencia: El campo de Higgs y la inflación cósmica

  1. “[…]La explicación más sencilla es la inflación cósmica[…]”
    Pues para mí la más sencilla es que tenga más de 13.800 millones de años.

  2. “Recuerda que en la teoría de Einstein gravitan la energía y el momento; en sentido estricto la masa no es LA fuente de la gravedad, pues incluso las partículas sin masa gravitan. La masa gravita porque es energía”.

    Esto no lo entiendo. Pongamos el ejemplo del sol; si la estrella estuviese formada por un solo fotón, que no tiene masa, no gravitaría. Pero como el sol está formado por un número incontable de fotones, átomos y moléculas éstos crean masa y, por tanto, el sol gravita. Otra cosa distinta es que un porcentaje de los fotones solares escapen de la gravedad, pero sólo es un porcentaje pues de lo contrario el sol perdería masa y se deshilacharía. De hecho, el lento, irreversible y entrópico agotamiento de la reserva de hidrógeno solar no es más que una pérdida de masa, esto quiere decir que al menos las estrellas similares al sol mantienen su estabilidad porque la masa sí es la fuente de la gravedad. No afirmo que esto sea un fenómeno general a lo largo del universo, pero sí parece serlo para ciertos objetos cósmicos.

    • Artemio, según el conocimiento actual de la física un solo fotón gravita (es decir, genera gravedad y su trayectoria se curva en un campo gravitatorio). Otra cosa diferente es que su gravedad es tan débil que no podemos observarla en los experimentos.

  3. En efecto, pero como hablamos de incontables fotones solares, cuya suma crea masa, la fuente de la gravedad solar es su masa, al menos eso me parece, aunque puedo equivocarme. Por cierto, felicito a los señores Higgs y Englert por el Nobel de Física.

  4. “El universo visible tiene un radio de unos 93.000 millones de años luz”
    En realidad, ese es el diámetro ¿cierto?

  5. La masa no existe como no existe la linea recta, estamos ante ficciones explicativas del hombre. Evolutivamente el concepto de masa procede de otro concepto mas primitivo, el de substancia. En latin substancia solo significa: lo constante, lo que permanece inalterable “debajo” de lo que cambia.
    la nocion de masa viene a significar esto: hay algo que no cambia, hay algo solido, substancial, palpable. Y ciertamente esta es una creencia muy antigua, obviamente muy util, pero seguramente falsa.

  6. “La masa no existe como no existe la linea recta”…

    ¿Hoy es el día de los Inocentes? ¿Por qué estás pegado al suelo? ¿Por qué los planetas giran en torno al sol? ¿Por qué pesa menos un rollo de servilletas que un camión? Incluso los astronautas que pisaron la luna parecían levitar (pesaban menos) pero tenían masa. No sé qué quieres decir.

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