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El universo puede estar inundado con una red de telarañas de cuerdas invisibles

¿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 cadenas que abarcan el universo? 


Suena sorprendente e improbable, pero en realidad es una predicción de la teoría de cuerdas, nuestro mejor (pero frustrantemente incompleto) intento de una teoría de todo. Estas extrañas, aunque hipotéticas, pequeñas partículas se conocen como axiones, y si se pueden encontrar, eso significaría que todos vivimos en un vasto "axiverse".

Axiverse, viene de la unión de dos palabras en inglés, axion (axión), y universe (universo).

Esta enorme red de cadenas incomprensiblemente puede ser detectable en el futuro cercano con telescopios de microondas que se están construyendo. 

Una sinfonía de cuerdas:

De acuerdo, vamos al grano. 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 un cierto tipo de ruptura de simetría. 

Hay un tipo de simetría, llamada simetría CP, que dice que la materia y la antimateria deberían comportarse de la misma manera cuando se invierten sus coordenadas. 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 "corrija" este mal comportamiento. Sin embargo, esta nueva simetría solo aparece a energías extremadamente altas. A bajas energías, esta simetría desaparece, y para explicar 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 durante 50 años) para unificar todas las fuerzas de la naturaleza, especialmente la gravedad, en un solo marco teórico. Se ha comprobado que es un problema especialmente espinoso de resolver, debido a una variedad de factores, entre los que se encuentra el de que la teoría de cuerdas funcione (en otras palabras, que las matemáticas incluso tengan la esperanza de funcionar), nuestro el universo debe tener más de las tres dimensiones habituales del espacio y una del 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 deben ser muy pequeñas y acurrucadas en escalas tan pequeñas que evaden los esfuerzos normales para detectarlas.

Lo que hace que esto sea difícil es que no estamos exactamente seguros de cómo estas dimensiones adicionales se enroscan 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 teoría de cuerdas, son partículas que se enrollan alrededor de algunas de las dimensiones curvadas y se atascan.

Además, la teoría de cuerdas no predice solo un axión, sino potencialmente cientos de diferentes tipos, 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 masa. ¡Excelente! ¿Podrían los axiones formar materia oscura, que parece ser la responsable de dar a las galaxias la mayor parte de su masa, pero no puede ser detectada por los telescopios ordinarios? Quizá. 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 investigar el comportamiento previsto de estos axiones de peso pluma en el universo primitivo, 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 de antigüedad), los axiones de la teoría de cuerdas no aparecían como partículas. En cambio, parecían bucles y líneas: Una red de cadenas livianas y casi invisibles que cruzan el cosmos.

Este hipotético axiverse, lleno de una variedad de cadenas de axiones ligeras, no está predicho por ninguna otra teoría de la física que no sea la teoría de cuerdas. Entonces, si determinamos que vivimos en un axiverse, 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 cuerdas 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 nuestra ventaja, 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, de unos 380000 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 del universo de miles de millones de años luz. Es como mirar el resplandor de una linterna a través de una serie de telarañas: si hay una red de cadenas de axiones enhebradas a través del cosmos, podríamos detectarlas.

En un estudio reciente, publicado en la base de datos arXiv el 5 de diciembre, un trío de investigadores calculó el efecto que un axiverse tendría 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. Esto se debe a que 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 seleccionar 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 futuros mapeadores CMB, como el Cosmic Origins Explorer, el satélite Lite (Light) para los estudios de polarización en modo B y la inflación desde 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 axiverse. Y una vez que esos mapeadores se conecten, encontraremos que vivimos en un axiverse o descartaremos esta predicción particular de la teoría de cuerdas.

De cualquier manera, hay mucho que desenredar.