stringtranslate.com

Transición de fase cosmológica

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

Cualquier transición de fase cosmológica puede haber dejado señales que son observables hoy, 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 por su orden . Las transiciones de primer orden proceden 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, tal transición de fase habría liberado enormes cantidades de energía, tanto en forma de calor como de energía cinética de las burbujas en crecimiento. En una transición de fase fuertemente de primer orden, las paredes de la burbuja 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 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 hoy en día, se ha conjeturado que pueden haber estado unificadas en las altas temperaturas del universo primitivo. [9] [10]

Fuerte transición de fase de fuerza

Hoy en día, la fuerza fuerte une los quarks formando protones y neutrones , en un fenómeno conocido como confinamiento del color . Sin embargo, a temperaturas suficientemente altas, los protones y neutrones se disocian formando quarks libres. La transición de fase de fuerza fuerte marca el final de la época de los quarks . Los estudios de esta transición basados ​​en QCD reticular 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 fuertes campos magnéticos. [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 que el mecanismo de Higgs se activó por primera vez, poniendo fin a la época electrodébil . [15] [16] Al igual que para la fuerza fuerte, los estudios de red del modelo electrodébil han encontrado 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 asume 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 fuerte transición de fase electrodébil de primer orden. [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 cosmológica también pueden haber tenido lugar en un sector oscuro u oculto , entre partículas y campos que están muy débilmente acoplados a la materia visible. [19]

Ver también

Referencias

  1. ^ Guth, Alan H.; Tye, SHH (1980). "Transiciones de fase y producción de monopolos magnéticos en el universo muy temprano". Física. 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". Física. Rev. D. 30 (3): 272–285. Código bibliográfico : 1981NuPhB.177..477W. doi :10.1016/0550-3213(81)90182-6.
  3. ^ Croquetas, TWB (1980). "Algunas implicaciones de una transición de fase cosmológica". Física. Representante . 67 (1): 183–199. Código bibliográfico : 1980PhR....67..183K. doi :10.1016/0370-1573(80)90091-5.
  4. ^ Moore, Guy D.; Prokopec, Tomislav (1995). "Velocidad de la pared de burbuja en una transición de fase electrodébil de primer orden". Física. 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 cosmológica". Lun. No. 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 NANOGrav de 15 años: búsqueda de señales de nueva física". Astrofia. J. Lett . 951 (1): L11. arXiv : 2306.16219 . Código Bib : 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 de transiciones de fase cosmológicas". JCAP . 04 (4): 001. arXiv : 1512.06239 . Código Bib : 2016JCAP...04..001C. doi :10.1088/1475-7516/2016/04/001. S2CID  53333014.
  8. ^ Vertedero, David (2018). "Ondas gravitacionales de una transición de fase electrodébil de primer orden: una breve revisión". Filos. Trans. R. Soc. Londres. A . 376 (2114): 20170126. arXiv : 1705.01783 . Código Bib : 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". Física. Rev. Lett . 32 : 438–441. doi :10.1103/PhysRevLett.32.438.
  10. ^ ab Weinberg, Steven (1974). "Calibre y simetrías globales a alta temperatura". Física. 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 de la cromodinámica cuántica predicha por el modelo estándar de física de partículas". Naturaleza . 443 (7112): 675–678. arXiv : hep-lat/0611014 . Código Bib :2006Natur.443..675A. doi : 10.1038/naturaleza05120. PMID  17035999. S2CID  261693972.
  12. ^ Boeckel, Tillman; Schettler, Simón; Schaffner-Bielich, Jurgen (2011). "Revisión de la transición de fase cosmológica QCD". Prog. Parte. Núcleo. Física . 66 (2): 266–270. arXiv : 1012.3342 . Código Bib : 2011PrPNP..66..266B. doi :10.1016/j.ppnp.2011.01.017. S2CID  118745752.
  13. ^ Schwarz, Dominik J.; Stuke, Maik (2009). "Asimetría de leptones y la transición cósmica QCD". JCAP . 2009 (11): 025. arXiv : 0906.3434 . Código Bib : 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". Física. 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". Física. Rev. Lett . 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". Núcleo. Física. 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). "Modelo estándar cruzado en celosía". Física. Rev. D. 93 (2): 025003. arXiv : 1508.07161 . Código Bib : 2016PhRvD..93b5003D. doi : 10.1103/PhysRevD.93.025003. hdl : 10138/159845 . S2CID  119261776.
  18. ^ Cline, James; Kainulainen, Kimmo (2013). "Bariogénesis electrodébil y materia oscura de un Higgs singlete". JCAP . 01 (1): 012. arXiv : 1210.4196 . Código Bib : 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". Física. Rev. Lett . 115 (18): 181101. arXiv : 1504.07263 . Código Bib : 2015PhRvL.115r1101S. doi : 10.1103/PhysRevLett.115.181101 . PMID  26565451.