En cosmología física , leptogénesis es el término genérico para los procesos físicos hipotéticos que produjeron una asimetría entre leptones y antileptones en el universo primitivo , lo que dio como resultado el predominio actual de los leptones sobre los antileptones. En el Modelo Estándar actualmente aceptado , el número de leptones se conserva casi por completo a temperaturas inferiores a la escala de TeV , pero los procesos de tunelización pueden cambiar este número; a temperaturas más altas puede cambiar a través de interacciones con esfalerones , entidades similares a partículas. [1] En ambos casos, el proceso involucrado está relacionado con la fuerza nuclear débil y es un ejemplo de anomalía quiral .
Tales procesos podrían haber creado hipotéticamente leptones en el universo primitivo. En estos procesos, el número bariónico tampoco se conserva, y por lo tanto los bariones deberían haber sido creados junto con los leptones. Se supone que tal no conservación del número bariónico ocurrió en el universo primitivo, y se conoce como bariogénesis . Sin embargo, en algunos modelos teóricos, se sugiere que la leptogénesis también ocurrió antes de la bariogénesis; por lo tanto, el término leptogénesis se usa a menudo para implicar la no conservación de leptones sin la correspondiente no conservación de bariones. En el Modelo Estándar, la diferencia entre el número leptónico y el número bariónico se conserva con precisión, de modo que la leptogénesis sin bariogénesis es imposible. Por lo tanto, tal leptogénesis implica extensiones del Modelo Estándar. [1]
Las asimetrías de leptones y bariones afectan a la nucleosíntesis del Big Bang , mucho mejor comprendida en épocas posteriores, durante las cuales comenzaron a formarse núcleos atómicos ligeros . La síntesis exitosa de los elementos ligeros requiere que haya un desequilibrio en el número de bariones y antibariones de una parte en mil millones cuando el universo tiene unos pocos minutos de vida. [2] Una asimetría en el número de leptones y antileptones no es obligatoria para la nucleosíntesis del Big Bang. Sin embargo, la conservación de la carga sugiere que cualquier asimetría en los leptones y antileptones cargados ( electrones , muones y partículas tau ) debería ser del mismo orden de magnitud que la asimetría bariónica. [3] Las observaciones de la abundancia primordial de helio-4 establecen un límite superior para cualquier asimetría leptónica que resida en el sector de neutrinos, que no es muy estricto. [2]
Las teorías de la leptogénesis emplean subdisciplinas de la física como la teoría cuántica de campos y la física estadística para describir estos posibles mecanismos. La bariogénesis, la generación de una asimetría barión-antibarión, y la leptogénesis pueden estar conectadas por procesos que convierten el número bariónico y el número leptónico entre sí. La anomalía cuántica (no perturbativa) de Adler-Bell-Jackiw puede dar lugar a esfalerones , que pueden convertir leptones en bariones y viceversa . [4] Por lo tanto, el Modelo Estándar es en principio capaz de proporcionar un mecanismo para crear bariones y leptones.
Una modificación simple del Modelo Estándar que, en cambio, es capaz de realizar el programa de Sajarov es la sugerida por M. Fukugita y T. Yanagida . [5] El Modelo Estándar se extiende añadiendo neutrinos diestros , lo que permite la implementación del mecanismo de sube y baja y proporciona masa a los neutrinos. Al mismo tiempo, el modelo extendido es capaz de generar espontáneamente leptones a partir de las desintegraciones de neutrinos diestros. Finalmente, los esfalerones son capaces de convertir la asimetría leptónica generada espontáneamente en la asimetría bariónica observada. Debido a su popularidad, a todo este proceso a veces se lo denomina simplemente leptogénesis. [6]