Introducción
Los físicos creen haber detectado una sorprendente asimetría en la disposición de las galaxias en el cielo. Si se confirma, el hallazgo apuntaría a características de las leyes fundamentales desconocidas que operaron durante el Big Bang.
“Si este resultado es real, alguien va a recibir un premio Nobel”, dijo Marc Kamionkowski, un físico de la Universidad Johns Hopkins que no participó en el análisis.
Como si jugaran un juego cósmico de conectar los puntos, los investigadores dibujaron líneas entre conjuntos de cuatro galaxias, construyendo formas de cuatro esquinas llamadas tetraedros. Cuando construyeron todos los tetraedros posibles a partir de un catálogo de 1 millón de galaxias, descubrieron que los tetraedros orientados en una dirección superan en número a sus imágenes especulares.
Un indicio del desequilibrio entre los tetraedros y sus imágenes especulares fue primero reportaron by Oliver Philcox, astrofísico de la Universidad de Columbia en Nueva York, en un artículo publicado en Physical Review D en septiembre. En un análisis independiente realizado simultáneamente que ahora se encuentra en proceso de revisión por pares, Jiamin Hou y Zachary Slépian de la Universidad de Florida y Roberto Cahn del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley detectado la asimetría con un nivel de certeza estadística que los físicos suelen considerar definitivo.
Pero con un hallazgo tan exitoso, y que aún está bajo revisión, los expertos dicen que se justifica la precaución.
“No hay una razón obvia por la que hayan cometido un error”, dijo Shaun Hotchkiss, cosmólogo de la Universidad de Auckland. “Eso no significa que no haya un error”.
El desequilibrio putativo viola una simetría llamada "paridad", una equivalencia de izquierda y derecha. Si la observación resiste el escrutinio, los físicos creen que debe reflejar un ingrediente desconocido que viola la paridad en el proceso primordial que sembró las semillas de toda la estructura que se desarrolló en nuestro universo.
“Es un resultado increíble, realmente impresionante”, dijo Kamionkowski. “¿Lo creo? Voy a esperar para celebrar de verdad”.
Universo para zurdos
La paridad fue una vez una simetría preciada de la física. Pero luego, en 1957, los experimentos de desintegración nuclear del físico chino-estadounidense Chien-Shiung Wu revelado que nuestro universo, de hecho, tiene una ligera lateralidad: las partículas subatómicas involucradas en la fuerza nuclear débil, que causa la descomposición nuclear, siempre están orientadas magnéticamente en la dirección opuesta a la que se mueven, de modo que giran en espiral como los hilos de una izquierda. -tornillo de mano. Las partículas de imagen especular, las que parecen tornillos de mano derecha, no sienten la fuerza débil.
La revelación de Wu fue impactante. “Todos estamos bastante conmocionados por la muerte de nuestra querida amiga, parity”, escribió el físico John Blatt en una carta a Wolfgang Pauli.
El carácter zurdo de la fuerza débil tiene efectos sutiles que no podrían haber influido en el cosmos a escala galáctica. Pero desde el descubrimiento de Wu, los físicos han buscado otras formas en las que el universo difiere de su imagen especular.
Si, por ejemplo, alguna violación de la paridad primordial estaba en vigor cuando el universo estaba en su infancia, podría haber impreso un giro en la estructura del cosmos.
En el momento del nacimiento del universo o cerca de él, se cree que un campo conocido como inflatón penetró el espacio. Un medio turbio y hirviente donde las partículas de inflatón burbujeaban y desaparecían continuamente, el campo de inflatón también era repulsivo; por el breve tiempo que puede haber existido, habría causado que nuestro universo se expandiera rápidamente a 100 billones de billones de veces su tamaño original. Todas esas fluctuaciones cuánticas de partículas en el campo de inflatón fueron expulsadas y congeladas en el cosmos, convirtiéndose en variaciones en la densidad de la materia. Los bolsillos más densos continuaron fusionándose gravitacionalmente para producir las galaxias y la estructura a gran escala que vemos hoy.
En 1999, investigadores como Kamionkowski considerado qué pasaría si más de un campo estuviera presente antes de esta explosión. El campo inflatón podría haber interactuado con otro campo que podría producir partículas dextrógiras y levógiras. Si el inflatón tratara las partículas dextrógiras de manera diferente a las dextrógiras, entonces podría haber creado preferentemente partículas de un lado sobre el otro. Este llamado acoplamiento de Chern-Simons habría imbuido a las primeras fluctuaciones cuánticas con una preferencia manual, que habría evolucionado hacia un desequilibrio de las disposiciones tetraédricas de galaxias levógiras y levógiras.
En cuanto a cuál podría ser el campo adicional, una posibilidad es el campo gravitatorio. En este escenario, se produciría una interacción Chern-Simons que violaría la paridad entre las partículas de inflatón y los gravitones, las unidades cuánticas de gravedad, que habrían aparecido en el campo gravitacional durante la inflación. Tal interacción habría creado una preferencia en las variaciones de densidad del universo primitivo y, en consecuencia, en la estructura a gran escala actual.
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En 2006, Esteban Alejandro, un físico ahora en la Universidad de Brown, sugiere que la gravedad de Chern-Simons también podría resolver uno de los mayores misterios de la cosmología: por qué nuestro universo contiene más materia que antimateria. Supuso que la interacción Chern-Simons podría haber producido una abundancia relativa de gravitones zurdos, que a su vez crearían preferentemente materia zurda sobre antimateria derecha.
La idea de Alexander permaneció relativamente oscura durante años. Cuando se enteró de los nuevos hallazgos, dijo, "fue una gran sorpresa".
tetraedros en el cielo
Cahn pensó que la posibilidad de resolver el rompecabezas de la asimetría entre materia y antimateria con la violación de la paridad en el universo primitivo era "especulativa, pero también provocativa". En 2019, decidió buscar la violación de la paridad en un catálogo de galaxias en el Sloan Digital Sky Survey. No esperaba encontrar nada, pero pensó que valdría la pena comprobarlo.
Para probar si la distribución de galaxias respeta o viola la paridad, él y sus colaboradores sabían que necesitaban estudiar los arreglos tetraédricos de cuatro galaxias. Esto se debe a que el tetraedro es la forma tridimensional más simple y solo los objetos 3D tienen la posibilidad de violar la paridad. Para entender esto, considere sus manos. Debido a que las manos son 3D, no hay forma de rotar una izquierda para que parezca una derecha. Da la vuelta a la mano izquierda para que los pulgares de ambas manos estén a la izquierda, y tus manos aún se vean diferentes: las palmas miran en direcciones opuestas. Por el contrario, si traza una mano izquierda en una hoja de papel y recorta la imagen 2D, al voltear el recorte, parece una mano derecha. El recorte y su imagen especular son indistinguibles.
En 2020, Slepian y Cahn idearon una forma de definir la "orientación de las manos" de una disposición tetraédrica de galaxias para comparar la cantidad de galaxias zurdas y diestras en el cielo. Primero tomaron una galaxia y observaron las distancias a otras tres galaxias. Si las distancias aumentaban en el sentido de las agujas del reloj como un tornillo de mano derecha, llamaron al tetraedro de mano derecha. Si las distancias aumentaron yendo en sentido antihorario, era zurdo.
Para determinar si el universo como un todo tiene preferencia por las manos, tuvieron que repetir el análisis para todos los tetraedros construidos a partir de su base de datos de 1 millón de galaxias. Hay casi 1 billón de billones de tales tetraedros, una lista intratable para manejar uno a la vez. Pero un truco de factorización desarrollado en trabajo anterior en un problema diferente permitió a los investigadores observar la paridad de los tetraedros de manera más holística: en lugar de ensamblar un tetraedro a la vez y determinar su paridad, podrían tomar cada galaxia por turnos y agrupar todas las demás galaxias de acuerdo con sus distancias de esa galaxia, creando capas como las capas de una cebolla. Al expresar las posiciones relativas de las galaxias en cada capa en términos de funciones matemáticas de ángulos llamados armónicos esféricos, pudieron combinar sistemáticamente conjuntos de tres capas para formar tetraedros colectivos.
Luego, los investigadores compararon los resultados con sus expectativas en función de las leyes de la física que preservan la paridad. Hou lideró este paso, analizando catálogos falsos de galaxias que se habían generado al simular la evolución del universo a partir de pequeñas variaciones de densidad que preservan la paridad. A partir de estos catálogos simulados, Hou y sus colegas pudieron determinar cómo varía aleatoriamente la cuenta de tetraedros zurdos y diestros, incluso en un mundo con simetría especular.
El equipo encontró un nivel de violación de paridad de "siete sigma" en los datos reales, lo que significa que el desequilibrio entre los tetraedros de mano izquierda y derecha era siete veces mayor de lo que se podría esperar del azar y otras fuentes de error concebibles.
Kamionkowski dijo que era “increíble que pudieran hacer eso”, y agregó que “técnicamente, es absolutamente asombroso. Es un análisis muy, muy, muy complicado”.
Philcox usó métodos similares (y había sido coautor de algunos artículos anteriores que proponían tal análisis con Hou, Slepian y Cahn), pero tomó algunas decisiones diferentes, por ejemplo, agrupando las galaxias en menos capas que Hou y sus colegas, y omitiendo algunas problemáticas. tetraedros del análisis y, por lo tanto, encontraron una violación de paridad de 2.9 sigma más modesta. Los investigadores ahora están estudiando las diferencias entre sus análisis. Incluso después de extensos esfuerzos para comprender los datos, todas las partes siguen siendo cautelosas.
Corroborando la evidencia
El sorprendente hallazgo sugiere una nueva física que potencialmente podría responder preguntas de larga data sobre el universo. Pero el trabajo no ha hecho más que empezar.
Primero, los físicos necesitan verificar (o falsificar) la observación. Ya se están realizando nuevos y ambiciosos estudios de galaxias en los que repetir el análisis. El estudio en curso del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura, por ejemplo, ha registrado 14 millones de galaxias hasta el momento y contendrá más de 30 millones cuando se complete. “Eso nos dará la oportunidad de ver esto con mucho más detalle con estadísticas mucho mejores”, dijo Cahn.
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Además, si la señal que viola la paridad es real, podría aparecer en datos distintos a la distribución de galaxias. La luz más antigua en el cielo, por ejemplo, un baño de radiación conocido como fondo cósmico de microondas, remanente del universo primitivo, proporciona nuestra instantánea más temprana de las variaciones espaciales en el cosmos. El patrón moteado de esta luz debería contener las mismas correlaciones que violan la paridad que las galaxias que se formaron más tarde. Los físicos dicen que debería ser posible encontrar tal señal en la luz.
Otro lugar para buscar será el patrón de ondas gravitacionales que pueden haberse generado durante la inflación, llamado fondo de ondas gravitacionales estocásticas. Estas ondas en forma de sacacorchos en el tejido del espacio-tiempo pueden ser de mano derecha o de mano izquierda, y en un mundo que preserva la paridad, contendrían cantidades iguales de cada una. Entonces, si los físicos logran medir este fondo y descubren que se favorece la unidireccionalidad, esto sería una verificación inequívoca e independiente de la física que viola la paridad en el universo primitivo.
A medida que comience la búsqueda de evidencia que lo corrobore, los teóricos estudiarán modelos de inflación que podrían haber producido la señal. Con giovanni cabás, físico teórico del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey, Philcox utilizó recientemente su medida para probar una gran cantidad de modelos que violan la paridad de inflación, incluidos los del tipo Chern-Simons. (Todavía no pueden decir con certeza qué modelo, si es que hay alguno, es el correcto).
Alexander también ha vuelto a centrar sus esfuerzos en comprender la gravedad de Chern-Simons. Con colaboradores como Kamionkowski y Cyril Creque-Sarbinowski del Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron, Alexander ha comenzado a trabajar en detalles sutiles sobre cómo la gravedad de Chern-Simons en el universo primitivo influiría en la distribución de las galaxias actuales.
“Fui como el soldado solitario empujando estas cosas por un tiempo”, dijo. “Es bueno ver a la gente interesarse”.
Nota del editor: El Instituto Flatiron está financiado por la Fundación Simons, que también apoya esta revista editorialmente independiente. Además, Oliver Philcox recibe financiación de la Fundación Simons.
