¿Por qué el universo observable tiene más materia que antimateria?
En cosmología física , leptogénesis es el término genérico para procesos físicos hipotéticos que produjeron una asimetría entre leptones y antileptones en el universo primitivo , lo que resultó en el dominio actual de los leptones sobre los antileptones. En el modelo estándar actualmente aceptado , el número de leptones casi se conserva a temperaturas inferiores a la escala TeV , pero los procesos de construcción de túneles 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 tanto, deberían haberse creado bariones junto con leptones. De hecho, se supone que esta falta de 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 tanto, el término leptogénesis se utiliza a menudo para implicar la no conservación de los leptones sin la correspondiente no conservación de los 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 tanto, dicha leptogénesis implica extensiones del modelo estándar. [1]
Las asimetrías de leptones y bariones afectaron a la nucleosíntesis del Big Bang, mucho mejor entendida , 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 entre mil millones cuando el universo tiene unos pocos minutos de edad. [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 sitúan un límite superior a cualquier asimetría de leptones 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 tales posibles mecanismos. La bariogénesis, la generación de una asimetría bariónica-antibariónica y la leptogénesis pueden estar conectadas mediante 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 simple modificación del Modelo Estándar que permite en cambio realizar el programa de Sajarov es la sugerida por M. Fukugita y T. Yanagida . [5] El modelo estándar se amplía añadiendo neutrinos diestros , lo que permite la implementación del mecanismo de balancín y proporciona masa a los neutrinos. Al mismo tiempo, el modelo ampliado es capaz de generar espontáneamente leptones a partir de la desintegración de neutrinos diestros. Finalmente, los esfalerones son capaces de convertir la asimetría leptónica generada espontáneamente en la asimetría bariónica observada. Debido a su popularidad, todo este proceso a veces se denomina simplemente leptogénesis. [6]