Artículo publicado por Jon Cartwright el 15 de febrero de 2012 en physicsworld.com
Durante más de una década, los científicos han sido conscientes de que la teoría que se usa para explicar cómo se crearon los elementos más ligeros, sobrestima la cantidad global de litio-7 en el universo. Ahora, unos físicos de Estados Unidos creen que la respuesta al conocido como problema del litio podría estar en una hipotética partículas conocida como axión – aunque muchos no están convencidos.
La teoría se conoce como nucleosíntesis del Big Bang y describe una etapa inicial en la evolución del universo cuando, a temperaturas de miles de grados, protones y neutrones empezaron a ensamblarse en núcleos atómicos y a formar los primeros elementos ligeros: deuterio, junto con isótopos de helio y litio. Conforme descendieron las temperaturas, la nucleosíntesis finalizó y finalmente los electrones empezaron a añadirse a los núcleos durante un periodo conocido como recombinación. En esta época, los fotones dejaron de dispersarse a partir de las partículas cargadas y el universo se hizo transparente.
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Los cosmólogos saben esto debido a que pueden detectar el fondo de microondas cósmico (CMB), que es una bruma de radiación que impregna el universo a una temperatura de la cual se deriva la última dispersión de fotones. A partir de las fluctuaciones en el CMB, los cosmólogos pueden calcular la proporción de bariones a fotones. Los bariones incluyen los protones y neutrones que forman la materia cotidiana. Esta proporción de bariones a fotones predice la abundancia de los primeros elementos ligeros. Pero para el litio-7, la predicción parece ser tres veces mayor que la cantidad observada.
¿Qué pasó con el litio?
Se han propuesto varias teorías para explicar esta carencia de litio, pero ninguna ha logrado una amplia aceptación. Ahora, el físico de partículas Pierre Sikivie y sus colegas de la Universidad de Florida en Gaines creen que tienen una sencilla solución. “Lo bueno de nuestra propuesta es que no tenemos que suponer nada nuevo”, dice Sikivie. “Simplemente tomamos el axión, del que se ha debatido desde hace tiempo, y señalamos algunas propiedades que se han pasado por alto”.
Los axiones se propusieron por primera vez a finales de la década de 1970 para resolver un misterio en la física de partículas conocido como el problema CP fuerte, aunque más recientemente se han propuesto como candidatos para la materia oscura, que es la misteriosa sustancia que forma casi un cuarto de la masa/energía del universo. Si existen, los axiones sería muy ligeros e interaccionarían muy débilmente con la materia – propiedades que hacen que sean difíciles de encontrar. De hecho, ningún experimento en la Tierra ha descubierto por ahora pruebas de los axiones.
Sikivie y sus colegas señalan que los axiones pueden formar un condensado de Bose-Einstein (BEC). Tales condensados contienen partículas que han caído todas en su estado de energía más bajo, y se sabe que tienen lugar en gases de baja densidad a temperaturas cercanas al cero absoluto. Pero dado que la temperatura crítica para la transición al BEC depende de la densidad, dicen los investigadores de Florida, las partículas pueden formar BECs a temperaturas más altas siempre que sean lo bastante densos. Incluso en el calor primigenio del Big Bang, según los investigadores, los axiones tendrían fácilmente la suficiente densidad para formar un BEC.
Transferir calor
Un condensado de axiones tendrían un marcado efecto sobre la nucleosíntesis del Big Bang. Los fotones que lo atraviesan crearían ondas en él, transfiriendo calor y, finalmente, disminuyendo su número. Esto significa que la proporción de bariones a fotones aumentaría hacia el momento de la recombinación, dando a los cosmólogos actuales la falsa impresión de que debería haberse creado una elevada cantidad de litio.
Al menos, esto es lo que Sikivie y sus colegas piensan – otros no están tan seguros. Kenneth Nollett del Laboratorio Nacional Argonne en los Estados Unidos señala que, al paliar el problema del litio, la teoría del grupo de Florida sobrestima la cantidad de deuterio. Es más, la teoría requiere que aumente el número efectivo de neutrinos – un valor importante en la cosmología – respecto a lo calculado a partir del CMB. Mientras que las observaciones normalmente sugieren que el número de neutrinos está entre 3 y 4, Sikivie y sus colegas esperan un valor de aproximadamente 6,8.
“Supongo que lo importante para mí es que se están proponiendo muchas posibles explicaciones para el problema del litio, pero soy escéptico sobre que la propuesta [del grupo de Florida]“, dice Nollett.
Sikivie admite que la sobrestimación del deuterio y el neutrino son problemas potenciales para la teoría. Aun así, está esperando resultados del observatorio espacial Planck de la Agencia Espacial Europea, que proporcionarán la medida más precisa del número efectivo de neutrinos el año que viene. “El tiempo dirá”, comenta.
La investigación se publica en la revista Physical Review Letters.
Autor: Jon Cartwright
Fecha Original: 15 de febrero de 2012
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