Vlad Krasen
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¿Qué pasaría si te dijera que nuestro universo se inundó con cientos de tipos de partículas casi invisibles y que, hace mucho tiempo, estas partículas formaron una red de hilos que abarcan el universo??
Suena alucinante y asombroso, pero en realidad es una predicción de la teoría de cuerdas, nuestro mejor (pero frustrantemente incompleto) intento de una teoría del todo. Estas pequeñas partículas extrañas, aunque hipotéticas, se conocen como axiones, y si se pueden encontrar, eso significaría que todos vivimos en un vasto "axiverso".
La mejor parte de esta teoría es que no es solo la hipótesis del sillón de un físico, sin posibilidad de prueba. Esta incomprensiblemente enorme red de cuerdas puede ser detectable en un futuro cercano con telescopios de microondas que realmente se están construyendo..
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Si se encuentra, el axiverso nos daría un gran paso adelante para resolver el rompecabezas de ... bueno, toda la física..
Una sinfonía de cuerdas
OK, pongámonos manos a la obra. Primero, necesitamos conocer un poco mejor el axión. El axión, nombrado por el físico (y, más tarde, premio Nobel) Frank Wilczek en 1978, recibe su nombre porque se supone que existe a partir de cierto tipo de ruptura de simetría. Lo sé, lo sé, más jerga. Espere. Los físicos aman las simetrías, cuando ciertos patrones aparecen en matemáticas.
Hay un tipo de simetría, llamada simetría CP, que dice que la materia y la antimateria deberían comportarse de la misma manera cuando sus coordenadas se invierten. Pero esta simetría no parece encajar naturalmente en la teoría de la fuerza nuclear fuerte. Una solución a este acertijo es introducir otra simetría en el universo que "corrige" este mal comportamiento. Sin embargo, esta nueva simetría solo aparece a energías extremadamente altas. A bajas energías diarias, esta simetría desaparece, y para dar cuenta de eso, aparece una nueva partícula: el axión..
Ahora, tenemos que recurrir a la teoría de cuerdas, que es nuestro intento (y ha sido nuestro principal intento desde hace 50 años) de unificar todas las fuerzas de la naturaleza, especialmente la gravedad, en un solo marco teórico. Se ha demostrado que es un problema especialmente espinoso de resolver, debido a una variedad de factores, uno de los cuales es ese, para que la teoría de cuerdas funcione (en otras palabras, para que las matemáticas incluso tengan la esperanza de funcionar), nuestro el universo debe tener más de las tres dimensiones habituales de espacio y una de tiempo; tiene que haber dimensiones espaciales adicionales.
Estas dimensiones espaciales no son visibles a simple vista, por supuesto; de lo contrario, nos habríamos dado cuenta de ese tipo de cosas. Por lo tanto, las dimensiones adicionales tienen que ser diminutas y acurrucadas sobre sí mismas a escalas tan pequeñas que eviten los esfuerzos normales para detectarlas..
Lo que lo hace difícil es que no estamos exactamente seguros de cómo estas dimensiones adicionales se curvan sobre sí mismas, y hay alrededor de 10 ^ 200 formas posibles de hacerlo..
Pero lo que estos arreglos dimensionales parecen tener en común es la existencia de axiones, que, en la teoría de cuerdas, son partículas que se enrollan alrededor de algunas de las dimensiones enrolladas y se atascan..
Además, la teoría de cuerdas no predice solo un axión, sino potencialmente cientos de tipos diferentes, en una variedad de masas, incluido el axión que podría aparecer en las predicciones teóricas de la fuerza nuclear fuerte..
Cuerdas tontas
Entonces, tenemos muchos tipos nuevos de partículas con todo tipo de masas. ¡Excelente! ¿Podrían los axiones formar materia oscura, que parece ser responsable de dar a las galaxias la mayor parte de su masa, pero no puede ser detectada por telescopios ordinarios? Quizás; es una pregunta abierta. Pero los axiones como materia oscura tienen que enfrentar algunas pruebas de observación desafiantes, por lo que algunos investigadores se centran en el extremo más ligero de las familias de axiones, explorando formas de encontrarlos..
Y cuando esos investigadores comienzan a profundizar en el comportamiento predicho de estos axiones de peso pluma en el universo temprano, encuentran algo realmente notable. En los primeros momentos de la historia de nuestro cosmos, el universo pasó por transiciones de fase, cambiando todo su carácter de estados exóticos de alta energía a estados regulares de baja energía..
Durante una de estas transiciones de fase (que sucedió cuando el universo tenía menos de un segundo), los axiones de la teoría de cuerdas no aparecieron como partículas. En cambio, parecían bucles y líneas: una red de cuerdas livianas y casi invisibles que cruzaban el cosmos..
Este axiverso hipotético, lleno de una variedad de cadenas de axiones ligeras, no es predicho por ninguna otra teoría de la física que la teoría de cuerdas. Entonces, si determinamos que vivimos en un axiverso, sería una gran ayuda para la teoría de cuerdas..
Un cambio en la luz
¿Cómo podemos buscar estas cadenas de axiones? Los modelos predicen que las cadenas de axiones tienen una masa muy baja, por lo que la luz no chocará con un axión y se doblará, o los axiones probablemente no se mezclarán con otras partículas. Podría haber millones de cadenas de axiones flotando a través de la Vía Láctea en este momento, y no las veríamos.
Pero el universo es viejo y grande, y podemos usar eso para nuestro beneficio, especialmente una vez que reconocemos que el universo también está retroiluminado..
El fondo cósmico de microondas (CMB) es la luz más antigua del universo, emitida cuando era solo un bebé, unos 380.000 años. Esta luz ha empapado el universo durante todos estos miles de millones de años, filtrándose a través del cosmos hasta que finalmente golpea algo, como nuestros telescopios de microondas..
Entonces, cuando miramos el CMB, lo vemos a través de miles de millones de años luz de universo. Es como mirar el brillo de una linterna a través de una serie de telarañas: si hay una red de hilos de axiones enhebrados a través del cosmos, potencialmente podríamos detectarlos..
En un estudio reciente, publicado en la base de datos arXiv el 5 de diciembre, un trío de investigadores calculó el efecto que tendría un axiverso en la luz CMB. Descubrieron que, dependiendo de cómo pasa un poco de luz cerca de una cadena de axiones en particular, la polarización de esa luz podría cambiar. Eso es porque la luz CMB (y toda la luz) está hecha de ondas de campos eléctricos y magnéticos, y la polarización de la luz nos dice cómo están orientados los campos eléctricos, algo que cambia cuando la luz CMB encuentra un axión. Podemos medir la polarización de la luz CMB pasando la señal a través de filtros especializados, lo que nos permite detectar este efecto..
Los investigadores encontraron que el efecto total en el CMB de un universo lleno de cuerdas introdujo un cambio en la polarización de alrededor del 1%, que está al borde de lo que podemos detectar hoy. Pero los mapeadores CMB futuros, como el Cosmic Origins Explorer, el satélite Lite (Light) para los estudios de polarización e inflación en modo B a partir de la detección de radiación de fondo cósmico (LiteBIRD) y el Explorador de inflación primordial (PIXIE), se están diseñando actualmente. Estos telescopios futuristas serían capaces de detectar un axiverso. Y una vez que esos mapeadores se conecten, encontraremos que vivimos en un axiverso o descartaremos esta predicción particular de la teoría de cuerdas..
De cualquier manera, hay mucho que desenredar.
Paul M. Sutter es un astrofísico en La Universidad Estatal de Ohio, gran cantidad de Pregúntale a un astronauta y Radio espacial, y autor de Tu lugar en el universo.
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Publicado originalmente el .
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