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Transición de fase cosmológica

Una transición de fase cosmológica es un proceso físico por el cual el estado general de la materia cambia en conjunto en todo el universo. El éxito del modelo del Big Bang llevó a los investigadores a conjeturar que es posible que se produjeran transiciones de fase cosmológicas en el universo primitivo, en una época en la que era mucho más caliente y denso que hoy. [1] [2]

Cualquier transición de fase cosmológica puede haber dejado señales que son observables hoy en día, incluso si tuvo lugar en los primeros momentos después del Big Bang, cuando el universo era opaco a la luz . [3]

Transiciones de fase cosmológicas de primer orden

Las transiciones de fase se pueden clasificar según su orden . Las transiciones de primer orden se producen mediante la nucleación de burbujas y liberan calor latente a medida que las burbujas se expanden.

A medida que el universo se enfrió después del Big Bang caliente, una transición de fase de este tipo habría liberado enormes cantidades de energía, tanto en forma de calor como de energía cinética de burbujas en crecimiento. En una transición de fase de primer orden fuerte, las paredes de las burbujas pueden incluso crecer a una velocidad cercana a la de la luz . [4] Esto, a su vez, conduciría a la producción de un fondo estocástico de ondas gravitacionales . [2] [5] Experimentos como NANOGrav y LISA pueden ser sensibles a esta señal. [6] [7]

A continuación se muestran dos instantáneas de simulaciones de la evolución de una transición de fase cosmológica de primer orden. [8] Las burbujas primero se nuclean, luego se expanden y chocan, convirtiendo finalmente el universo de una fase a otra.

Ejemplos

El Modelo Estándar de la física de partículas contiene tres fuerzas fundamentales : la fuerza electromagnética , la fuerza débil y la fuerza fuerte . Poco después del Big Bang, las temperaturas extremadamente altas pueden haber modificado el carácter de estas fuerzas. Si bien estas tres fuerzas actúan de manera diferente en la actualidad, se ha conjeturado que pueden haberse unificado en las altas temperaturas del universo primitivo. [9] [10]

Transición de fase de fuerza fuerte

En la actualidad, la fuerza fuerte une a los quarks para formar protones y neutrones , en un fenómeno conocido como confinamiento de color . Sin embargo, a temperaturas suficientemente altas, los protones y neutrones se disocian en quarks libres. La transición de fase de la fuerza fuerte marca el final de la era de los quarks . Los estudios de esta transición basados ​​en la QCD en red han demostrado que habría tenido lugar a una temperatura de aproximadamente 155 MeV y habría sido una transición cruzada suave. [11]

Esta conclusión supone el escenario más simple en el momento de la transición, y las transiciones de primer o segundo orden son posibles en presencia de un potencial químico de quark, barión o neutrino , o de campos magnéticos fuertes. [12] [13] [14] Los diferentes tipos de transición de fase posibles se resumen en el diagrama de fase de fuerza fuerte .

Transición de fase electrodébil

La transición de fase electrodébil marca el momento en el que el mecanismo de Higgs se activó por primera vez, poniendo fin a la época electrodébil . [15] [16] Al igual que en el caso de la fuerza fuerte, los estudios de red del modelo electrodébil han descubierto que la transición es un cruce suave, que tiene lugar a 159,5 ± 1,5 GeV . [17]

La conclusión de que la transición es un cruce supone el escenario mínimo y se modifica por la presencia de campos o partículas adicionales. Los modelos de física de partículas que tienen en cuenta la materia oscura o que conducen a una bariogénesis exitosa pueden predecir una transición de fase electrodébil de primer orden fuertemente marcada. [18]

Transiciones de fase más allá del Modelo Estándar

Si las tres fuerzas del Modelo Estándar se unifican en una Gran Teoría Unificada , entonces habría habido una transición de fase cosmológica a temperaturas aún más altas, correspondiente al momento en que las fuerzas se separaron por primera vez. [9] [10] Las transiciones de fase cosmológicas también pueden haber tenido lugar en un sector oscuro u oculto , entre partículas y campos que están acoplados muy débilmente a la materia visible. [19]

Véase también

Referencias

  1. ^ Guth, Alan H.; Tye, SHH (1980). "Transiciones de fase y producción de monopolos magnéticos en el universo muy temprano". Phys. Rev. Lett . 44 (10): 631–635. Código Bibliográfico :1980PhRvL..44..631G. doi :10.1103/PhysRevLett.44.631. OSTI  1447535.
  2. ^ ab Witten, Edward (1984). "Separación cósmica de fases". Phys. Rev. D . 30 (3): 272–285. Código Bibliográfico :1981NuPhB.177..477W. doi :10.1016/0550-3213(81)90182-6.
  3. ^ Kibble, TWB (1980). "Algunas implicaciones de una transición de fase cosmológica". Phys. Rep . 67 (1): 183–199. Bibcode :1980PhR....67..183K. doi :10.1016/0370-1573(80)90091-5.
  4. ^ Moore, Guy D.; Prokopec, Tomislav (1995). "Velocidad de la pared de la burbuja en una transición de fase electrodébil de primer orden". Phys. Rev. Lett . 75 (5): 777–780. arXiv : hep-ph/9503296 . Código Bibliográfico :1995PhRvL..75..777M. doi :10.1103/PhysRevLett.75.777. PMID  10060116. S2CID  17239930.
  5. ^ Hogan, CJ (1986). "Radiación gravitacional de transiciones de fase cosmológicas". Mon. Not. R. Astron. Soc . 218 (4): 629–636. doi : 10.1093/mnras/218.4.629 . Consultado el 9 de agosto de 2023 .
  6. ^ NANOGrav (2023). "El conjunto de datos de 15 años de NANOGrav: búsqueda de señales de nueva física". Astrophys. J. Lett . 951 (1): L11. arXiv : 2306.16219 . Código Bibliográfico :2023ApJ...951L..11A. doi : 10.3847/2041-8213/acdc91 .
  7. ^ Grupo de trabajo de cosmología LISA (2016). "Ciencia con el interferómetro espacial eLISA. II: Ondas gravitacionales a partir de transiciones de fase cosmológicas". JCAP . 04 (4): 001. arXiv : 1512.06239 . Bibcode :2016JCAP...04..001C. doi :10.1088/1475-7516/2016/04/001. S2CID  53333014.
  8. ^ Weir, David (2018). "Ondas gravitacionales de una transición de fase electrodébil de primer orden: una breve revisión". Philos. Trans. R. Soc. Lond. A . 376 (2114): 20170126. arXiv : 1705.01783 . Bibcode :2018RSPTA.37670126W. doi : 10.1098/rsta.2017.0126 . PMC 5784032 . PMID  29358351. 
  9. ^ ab Georgi, H.; Glashow, SL (1974). "Unidad de todas las fuerzas elementales". Phys. Rev. Lett . 32 : 438–441. doi :10.1103/PhysRevLett.32.438.
  10. ^ ab Weinberg, Steven (1974). "Simetrías de calibre y globales a alta temperatura". Phys. Rev. D . 9 (12): 3357–3378. Código Bibliográfico :1974PhRvD...9.3357W. doi :10.1103/PhysRevD.9.3357.
  11. ^ Aoki, Y.; Endrodi, G.; Fodor, Z.; Katz, SD; Szabo, KK (2006). "El orden de la transición cromodinámica cuántica predicho por el modelo estándar de física de partículas". Nature . 443 (7112): 675–678. arXiv : hep-lat/0611014 . Bibcode :2006Natur.443..675A. doi :10.1038/nature05120. PMID  17035999. S2CID  261693972.
  12. ^ Boeckel, Tillman; Schettler, Simon; Schaffner-Bielich, Jurgen (2011). "Revisitando la transición de fase cosmológica de QCD". Prog. Part. Nucl. Phys . 66 (2): 266–270. arXiv : 1012.3342 . Código Bibliográfico : 2011PrPNP..66..266B. doi : 10.1016/j.ppnp.2011.01.017. S2CID  118745752.
  13. ^ Schwarz, Dominik J.; Stuke, Maik (2009). "Asimetría leptónica y la transición cósmica QCD". JCAP . 2009 (11): 025. arXiv : 0906.3434 . Bibcode :2009JCAP...11..025S. doi :10.1088/1475-7516/2009/11/025. S2CID  250761613.
  14. ^ Cao, Gaoging (2023). "Transición QCD de primer orden en un campo magnético primordial". Phys. Rev. D . 107 (1): 014021. arXiv : 2210.09794 . Código Bibliográfico :2023PhRvD.107a4021C. doi :10.1103/PhysRevD.107.014021. S2CID  252967896.
  15. ^ Guth, Alan H. ; Weinberg, Eric J. (1980). "Un límite inferior cosmológico de la masa del bosón de Higgs". Physical Review Letters . 45 (14): 1131–1134. Código Bibliográfico :1980PhRvL..45.1131G. doi :10.1103/PhysRevLett.45.1131. OSTI  1445632.
  16. ^ Witten, Edward (1981). "Consecuencias cosmológicas de un bosón de Higgs ligero". Física nuclear B . 177 (3): 477–488. Código Bibliográfico :1981NuPhB.177..477W. doi :10.1016/0550-3213(81)90182-6.
  17. ^ d'Onofrio, Michela; Rummukainen, Kari (2016). "Cruce de modelos estándar en la red". Physical Review D . 93 (2): 025003. arXiv : 1508.07161 . Bibcode :2016PhRvD..93b5003D. doi :10.1103/PhysRevD.93.025003. hdl : 10138/159845 . S2CID  119261776.
  18. ^ Cline, James; Kainulainen, Kimmo (2013). "Bariogénesis electrodébil y materia oscura a partir de un bosón de Higgs singlete". Revista de Cosmología y Física de Astropartículas . 01 (1): 012. arXiv : 1210.4196 . Código Bibliográfico :2013JCAP...01..012C. doi :10.1088/1475-7516/2013/01/012. S2CID  250739526.
  19. ^ Schwaller, Pedro (2015). "Ondas gravitacionales de una transición de fase oscura". Phys. Rev. Lett . 115 (18): 181101. arXiv : 1504.07263 . Bibcode :2015PhRvL.115r1101S. doi : 10.1103/PhysRevLett.115.181101 . PMID  26565451.