Etiquetas

, ,

Artículo publicado por Zeeya Merali el 10 de septiembre de 2013 en Nature

Unos gravitones, las partículas portadoras de fuerza, con masa podrían ayudar a explicar la expansión acelerada del universo.

El mantra de Wall Street “la avaricia es buena” podría pronto ser adoptado por los cosmólogos para explicar los orígenes de la energía oscura, la misteriosa entidad que está acelerando la expansión del universo.

Energía oscura

Energía oscura


En una reunión de cosmología que se celebró la semana pasada en Cambridge, Reino Unido, los asistentes debatieron sobre una controvertida teoría en la que la gravedad es transportada por una partícula hipotética, el gravitón, que tiene una masa pequeña, pero no nula. Tal partícula tendería a acumular enormes cantidades de energía del tejido del espacio-tiempo, permitiendo que el universo se expandiese a un ritmo acelerado, aunque no destructivo.

Desde que los astrónomos descubrieron, a finales de la década de 1990, que la expansión del universo estaba acelerando, los investigadores han tenido problemas para explicar no sólo la naturaleza de la hipotética entidad que provoca la aceleración – conocida como energía oscura – sino también por qué la aceleración es tan débil.

Una de las mejores suposiciones es que la energía oscura es una propiedad inherente al vacío del espacio. Los físicos de partículas predicen la existencia de tal energía del vacío, pero también debería ser abrumadoramente mayor, del orden de 10120 más para poder explicar la aceleración observada por los astrónomos. Si la energía oscura fuese tan grande, el universo se habría desmembrado mucho antes de que se formasen las estrellas y galaxias.

En 2010, Claudia de Rham, cosmóloga de la Universidad Case Western Reserve en Cleveland, Ohio, y sus colegas, aparecieron con una sorprendente sugerencia: que la energía oscura podría ser la energía del vacío si la mayor parte de la misma era absorbida por la hipotética partícula del gravitón1, 2. Los físicos, en general, piensan que debería haber unas partículas elementales, conocidas como gravitones, que transporten la fuerza de la gravedad, de la misma forma que hay partículas similares que se sabe que transportan las otras tres fuerzas fundamentales de la naturaleza: el electromagnetismo; la fuerza nuclear débil, que gobierna la radiactividad; y la fuerza nuclear fuerte, que mantiene unidas las partículas subatómicas dentro del núcleo atómico.

El rango sobre el que actúan estas fuerzas viene determinado por la masa de sus partículas. El electromagnetismo, por ejemplo, es transportado por partículas de luz sin masa, o fotones, dándole un rango infinito, mientras que las partículas W y Z que transportan la fuerza nuclear débil, tienen masa y su alcance se ve confinado a la escala de las interacciones subatómicas.

La mayor parte de los físicos han supuesto que el gravitón no tendría masa, como el fotón, por lo que la gravedad podría extenderse por todo el universo. “Sabemos que la gravedad es una fuerza de largo alcance debido a que sentimos la gravedad del Sol – y eso fija un límite para lo grande que podría ser el gravitón”, dice de Rham. Sin embargo, ella y sus colegas observaron que si se daba al gravitón una masa minúscula, de menos de 10–33 electrón-volts, podría seguir encajando con las observaciones astronómicas. (En comparación, los neutrinos, las partículas con la menor masa conocida que no sea cero, tienen masas del orden de 1 electrón-volt, y el electrón tiene una masa de aproximadamente 511 000 electrón-volts.)

Un gravitón con masa – en oposición a uno sin masa – lograría su masa absorbiendo casi toda la energía del vacío, dejando tras de sí una pequeña fracción en forma de energía oscura que provocaría la expansión acelerada del universo.

Misterio oscuro

Cuando el equipo de de Rham hizo público por primera vez el modelo del gravitón, generó una agitación inmediata debido a que ya hay algunas buenas soluciones al misterio de la energía oscura, dice Mark Wyman, cosmólogo de la Universidad de Nueva York. “De pronto había una nueva clase de teorías que tenía una posibilidad real de atacarlas”, comenta. Además, los gravitones masivos explicarían el mayor misterio del universo son necesidad de añadir nuevas partículas exóticas o dimensiones adicionales del espacio, haciendo de ella una “solución minimalista”, como la describe de Rham.

Pero la idea casi fue aniquilada antes de nacer, añade Wyman, cuando los físicos empezaron a escrutar y encontrar posibles problemas. Una preocupación era que la teoría podía contener “fantasmas” ocultos – campos que contienen energía negativa y que no pueden darse en la realidad3 — pero otros han desafiado esta preocupación4. “Usamos el término fantasma debido a que son terroríficos y destruyen cualquier teoría en la que aparezcan”, dice de Rham, que se mantiene firme en que su modelo está libre de fantasmas.

Los investigadores han propuesto una gran cantidad de variaciones libres de fantasmas de la propuesta original de de Rham. En 2011, por ejemplo, los cosmólogos Sayed Fawad Hassan de la Universidad de Estocolmo y Rachel Rosen de la Universidad de Columbia en Nueva York, propusieron combinar dos tipos de gravitones, uno masivo y otro sin masa, en un modelo. No obstante, esto requeriría un universo donde el espacio estuviese formado por dos tejidos solapados que interactuasen entre sí5.

En la reunión de Cambridge, varios cosmólogos, incluyendo a de Rham, presentaron de manera independiente una serie de modelos en los que la interacción entre los dos tejidos podría fijar de forma natural la aceleración del espacio-tiempo. Esto generaría el efecto de energía oscura que los astrónomos han observado a través de un mecanismo alternativo que no requiere de la energía del vacío.

La clave a si se mantendrán estas teorías será calcular si pueden hacer predicciones comprobables para distinguir la gravedad masiva de una cosmología estándar, dice de Rham. Tales experimentos podría llevarse a cabo pronto dentro del Sistema Solar, debido a que el modelo de gravedad masiva predice un campo gravitatorio entre la Tierra y la Luna que es ligeramente distinto al de la gravedad común. Esto crearía una diferencia detectable de una parte en 1012 en la precesión de la órbita de la Luna alrededor de la Tierra.

Los experimentos que disparan láseres entre la Tierra y la Luna miden actualmente la distancia en una parte entre 1011. “Estamos al borde de ser capaces de poner a prueba la gravedad masiva”, dice de Rham.

Hasta que se logre tal evidencia experimental, sin embargo, algunos se mantienen escépticos sobre la idea de la gravedad masiva. Viatcheslav Mukhanov, cosmólogo de la Universidad Ludwig-Maximilians en Múnich, Alemania, dice que aunque inicialmente se vio atraído por la teoría de la gravedad masiva por su simplicidad, pasar a nuevos espacio-tiempos y añadir gravitones extra la hace demasiado forzada. “Creo que el problema de la energía oscura requerirá de una solución más elegante”, señala.

Pero la elegancia es una cuestión de gustos, dice Wyman. “Si pueden fijar un modelo único y convincente que explique la energía oscura, creo que la gente tendrá que tomar nota”, dice. “Lo que suceda en los próximos meses decidirá si la teoría tiene relevancia para el mundo real, o si simplemente es flor de un día”.

Referencias

Nature doi:10.1038/nature.2013.13707

1.- De Rham, C., Gabadadze, G. & Tolley, A. J. Phys. Rev. Lett. 106, 231101 (2011).
2.- De Rham, C., Gabadadze, G., Heisenberg, L. & Pirtskhalava, D. Phys. Rev. D 83, 103516 (2011).
3.- Chamseddine, A. H. & Mukhanov, V. J. High Energy Phys. http://doi.org/nrm (2013).
4.- Alexandrov, S. Preprint at http://arxiv.org/abs/1308.6586 (2013).
5.- Hassan, S. F. & Rosen, R. A. J. High Energy Phys. http://doi.org/nrn (2012).

Anuncios