La estabilidad del vacío del modelo estándar

Dibujo20130910 SM phase diagram in terms of Higgs and top pole masses

La masa del bosón de Higgs y del quark top (cima) apuntan a que el vacío del modelo estándar es metaestable, aunque no estamos del todo seguros porque está en el borde entre estable y metaestable. Además, los errores son muy grandes, tanto los experimentales, sobre todo en la masa del quark top, como los teóricos, hay que extrapolar los cálculos hasta la escala de Planck y las correcciones de mayor orden podrían ser importantes. Quizás sea por puro azar, o quizás haya algo profundo oculto, pero las masas del Higgs y del quark top parecen ajustadas en un punto crítico doble en relación a la estabilidad del vacío. Nos lo contó Pier Paolo Giardino (Univ. Pisa / INFN Pisa), “Is that a Standard Higgs? And now?,” CP³ Origins, slides pdf / video flash. Su artículo técnico es Dario Buttazzo, Giuseppe Degrassi, Pier Paolo Giardino, Gian F. Giudice, Filippo Sala, Alberto Salvio, Alessandro Strumia, “Investigating the near-criticality of the Higgs boson,” arXiv:1307.3536 [hep-ph].

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¿Realmente la expansión del universo se está acelerando? (o nunca hay que descartar otras hipótesis)


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La expansión acelerada del universo, aparentemente causada por la misteriosa energía oscura, puede deberse a una mala interpretación de la homogeneidad de la distribución de materia en el Universo, o así se afirma en el artículo de George Ellis, “Cosmology: Patchy solutions,” Nature 452, 158-161, 13 March 2008, que revisa varios artículos recientes sobre este tema. La energía oscura causa problemas más “gordos” que el problema que resuelve, la aparente aceleración de la expansión detectada en los estudios de supernovas tipo Ia utilizadas como candelas para medir las distancias en el universo lejano (a grandes corrimientos Doppler). ¿Puede explicarse esta expansión sin necesidad de nueva física, sea energía oscura, constante cosmológica no nula o la famosa quintaesencia (un tipo de anti-gravedad)? Estudios recientes han encontrado una explicación alternativa mucho más sencilla: la no homogeneidad de la distribución de materia en nuestro entorno cercano dentro del Universo puede ser la responsable de la aparente “segunda” inflación en la nos encontramos.

Las soluciones de las ecuaciones de Einstein para la gravedad a escala de todo el Universo tienen soluciones muy sencillas si se supone que la materia está distribuida de forma homogénea (de la misma forma en todas partes) e isótropa (de la misma forma mirando en todas direcciones). Esta hipótesis es consistente con las observaciones (claro, a gran escala, como en el fondo de microondas cuando quitamos el efecto de la vía láctea y los efectos de la velocidad de la Tierra, muy bien ilustrado aquí) pero no es una consecuencia de las ecuaciones sino el llamado Principio Cosmológico (también llamado de Copérnico): Las características del Universo cercano no son especiales de ninguna forma, sino típicas del resto del Universo en su totalidad.

El Principio Cosmológico es “razonable” pero no ha sido verificado experimentalmente. No es fácil. Este principio es consistente con las medidas de distancia más lejanas (gracias a las supernovas Ia) sólo si alguna forma de energía oscura existe. Sin embargo, investigaciones recientes han mostrado que si obviamos el Principio de Copérnico y consideramos que nuestra distribución de materia local (“cercana” a nosotros) es especial, entonces la energía oscura no es necesaria.
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La primera posibilidad es que inhomogeneidades locales en la distribución de materia requieren un proceso de promediado de las ecuaciones de Einstein a escala pequeña que conduce a una fuerza repulsiva (“backreaction” o retroreacción), un término que ha de ser añadido a las ecuaciones “suavizadas” que modelan el Universo a gran escala (véase, p.ej., Syksy Rasanen, “Evaluating backreaction with the peak model of structure formation,” ArXiv preprint, 31 Jan 2008). Sorprendentemente, los resultados de este término repulsivo son similares a los de la energía oscura.

Claro, estas inhomogeneidades locales también afectan a nuestras observaciones cosmológicas de fuentes lejanas, que sufren un proceso de lente gravitatoria (enfoque) que puede cambiar significativamente la luminosidad aparente de fuentes lejanas. Aunque los resultados dependen de la distribución exacta de materia en nuestro entorno local (algo no conocido con detalle) hay varias distribuciones compatibles con los resultados observados para supernovas Ia de gran corrimiento al rojo (gran z).

Investigadores como Teppo Mattsson, “Dark energy as a mirage,” ArXiv preprint, revised version 23 Dec 2007, han encontrado una interpretación “natural” de los efectos observados en la anisotropía del fondo de microondas, la nucelosíntesis de los elementos, el corrimiento hacia el rojo de las supernovas Ia lejanas y la expansión de Hubble, entre otros efectos, que son compatibles con cierto tipo de vacíos de materia cercanos y una distribución de materia en el Universo de un 90% de materia oscura y un 10% de materia (bariónica), nada de energía oscura, y un Universo de unos 14.8 mil millones de años. Es decir, si vivimos en una “burbuja casi vacía” entonces la energía oscura es un espejismo.

La misma idea, que estamos en un región del Universo con una densidad anormalmenet baja, en una burbuja “vacía” y por tanto rodeados del resto del Universo con “más” materia, ya había sido presentada en el artículo de revisión de la francesa Marie-Noëlle Célérier, “The Accelerated Expansion of the Universe Challenged by an Effect of the Inhomogeneities. A Review,” ArXiv preprint, 7 Jun 2007.

Por supuesto, estas ideas “no convencionales” que están en contra del stablishment en Cosmología han sido recibidas con gran excepticimo por la mayoría de cosmólogos en activo. Aún así, como se comenta en Stephon Alexander, Tirthabir Biswas, Alessio Notari, Deepak Vaid, “Local Void vs Dark Energy: Confrontation with WMAP and Type Ia Supernovae,” ArXiv preprint, 1 Mar 2008 , la verificación experimental de la existencia de estas inhomogeneidades locales, aunque es difícil, no es imposible y promete eliminar la “odiosa” energía oscura, cuyas propiedades físicas nos resultan extremadamente difíciles de “comprender” y “aceptar” (requieren términos de energía negativa, anti-gravitatorios, …).

Si fue una “desagradable” sorpresa la energía oscura hace 10 años, quizás pronto (el lanzamiento de Planck está previsto por la ESA para el 31 de octubre de 2008 ) descubramos una nueva sorpresa, pero esta vez más “agradable”, no estabámos tan equivocados en 1998 sobre el Universo como lo estamos ahora.