Las ondas gravitacionales generadas por las transiciones de fase de la materia justo después del Big Bang podrían proporcionar nuevos conocimientos sobre la física de partículas.

¿Es posible detectar una onda gravitacional que se originó casi inmediatamente después del Big Bang? En un nuevo estudio, un equipo internacional de físicos teóricos sugiere que esto podría ser posible en unas pocas décadas con el próximo telescopio espacial LISA.

Estas ondas probablemente se emitieron durante las transiciones de fase de la materia en el Universo temprano y podrían ayudar a dilucidar los procesos fundamentales que tuvieron lugar en los primeros momentos después del Big Bang.

Transiciones de fase en los primeros momentos del universo

Las transiciones de fase, como el derretimiento del hielo o la transformación del grafito en diamante bajo alta presión, son fenómenos comunes. Son cambios cualitativos abruptos en las propiedades de una sustancia y generalmente ocurren cuando un sistema físico se acerca a cierta temperatura crítica. Muchos físicos creen que las transiciones de fase tuvieron lugar en los primeros momentos después del Big Bang, cuando toda la materia del universo era un plasma extremadamente caliente y denso.

A medida que el universo se expandió, la temperatura del plasma descendió, lo que posiblemente causó transiciones de fase que debieron ocurrir a través de la formación, expansión y fusión de burbujas de la nueva fase dentro de la anterior, de manera muy similar a como se comportan las burbujas de vapor en el agua hirviendo. Estos procesos en el plasma primordial habrían producido poderosas ondas gravitacionales, ondas en la geometría del espacio-tiempo, cuya forma y amplitud dependen de los detalles de la transición.

Un grupo de físicos de Finlandia, España y el Reino Unido calcularon las propiedades de las ondas gravitatorias producidas por estas transiciones y descubrieron que a una temperatura crítica de alrededor de diez mil billones de Kelvin, las ondas gravitatorias que producen podrían ser detectadas por el extremadamente sensible espacio futuro. -basado en el telescopio LISA – un proyecto conjunto de la NASA y la Agencia Espacial Europea, cuyo lanzamiento está previsto para 2037 como muy pronto.

Nuevos conocimientos sobre la física de partículas

Los cálculos de los físicos se realizaron utilizando una técnica conocida como dualidad holográfica, un método que permite a los científicos mapear cálculos complicados en la teoría cuántica de campos, un marco para describir las interacciones de partículas elementales, a problemas más manejables en la teoría de cuerdas, que en un ficticio El mundo vive el espacio-tiempo de diez dimensiones.

De acuerdo con la hipótesis holográfica, para cada cantidad medible en la teoría cuántica de campos hay un análogo en la teoría de cuerdas de diez dimensiones. La validez de esta dualidad se ha verificado en cientos de artículos mediante cálculos directos de varias cantidades en la teoría cuántica de campos y en la teoría de cuerdas, que conducen a los mismos resultados.

En el estudio actual, la dualidad holográfica ayudó a los físicos a analizar propiedades importantes de la transición, como la temperatura de formación de burbujas y la velocidad de transición de fase, entre otras. Sin embargo, no pudieron calcular la tasa de expansión de las burbujas en la transición de fase y tuvieron que usar una estimación de ese tamaño obtenida previamente de un sistema físico similar.

Algunos de los parámetros de la transición de fase fueron más fáciles de calcular ya que se puede suponer que las dos fases existen en equilibrio o, en este caso, en un «cuasi-equilibrio». La tasa de expansión, por otro lado, es una cantidad completamente desequilibrada que solo se calculó utilizando diferentes aproximaciones.

La física de estas transiciones de fase primordiales va más allá del modelo estándar de partículas elementales. Al detectar las ondas gravitacionales que generan, los científicos esperan obtener una gran cantidad de información y nuevos conocimientos sobre la física de partículas a energías extremadamente altas, que incluso los aceleradores gigantes como el Gran Colisionador de Hadrones no han podido proporcionar hasta ahora.

Referencia: Fëanor Reuben Ares, et al., Ondas gravitacionales en fuerte acoplamiento de una acción efectiva, Phys. Rev. Lett. 128, 131101 (2022), DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.131101

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