En un estudio innovador, físicos japoneses han revivido un concepto propuesto por Lord Kelvin hace 150 años, sugiriendo que las estructuras anudadas pueden proporcionar información sobre una de las cuestiones más profundas de la ciencia: la existencia de materia en el universo. Su investigación publicada en Cartas de revisión físicaProporciona un modelo de física de partículas que integra configuraciones vinculadas a soluciones a muchos misterios actuales, incluidas las masas de neutrinos, la materia oscura y el fuerte problema de CP.
Dirigido por el profesor Muneto Nitta junto con Minoru Eto y Yu Hamada, el equipo propuso que estos “nudos cósmicos” pueden haberse formado en el universo primitivo durante un período de cambios violentos. Estos nudos pueden expresarse como una forma dominante de energía antes de colapsar de una manera que favorece la materia en lugar de la antimateria. A medida que se forman y desintegran, también pueden alterar el espacio-tiempo, creando un patrón distintivo de ondas gravitacionales que podrían ser detectados por futuros observatorios.
El desequilibrio entre materia y antimateria desconcierta a los científicos porque contradice la teoría del Big Bang, que afirma que la materia y la antimateria se produjeron en cantidades iguales. Normalmente, cuando estas partículas se encuentran, se aniquilan entre sí, lo que sugiere que si el universo estuviera perfectamente equilibrado, se convertiría en energía pura, dejando solo radiación. En cambio, se calcula un exceso mínimo de materia (una partícula por cada mil millones de pares de materia-antimateria) para el universo visible.
Los modelos actuales de física, especialmente el modelo estándar de física de partículas, no logran explicar esta asimetría crucial, dejando el proceso de bariogénesis como una de las principales cuestiones sin resolver. El equipo de investigación sugiere un nuevo enfoque fusionando la simetría del número bariónico medido menos el número de leptones (BL) con la simetría de Pexi-Quinn (PQ), lo que conduce a la formación espontánea de configuraciones anudadas estables.
La simetría PQ resuelve preguntas de larga data sobre el problema de la CP fuerte y sugiere la existencia de un eje que es un candidato clave para la materia oscura. Por otro lado, la simetría BL facilita el desarrollo de masa de los neutrinos, partículas conocidas por su muy débil interacción con la materia.
Los investigadores teorizan que en el universo primitivo, las transiciones de fase conducían a la ruptura de simetrías, lo que resultaba en defectos conocidos como cuerdas cósmicas. Estas estructuras delgadas en forma de hilos, descritas como grietas en el espacio-tiempo, pueden desempeñar un papel en la dinámica del universo durante su expansión. La combinación de simetrías BL y PQ permitió interacciones únicas entre diferentes tipos de defectos, lo que resultó en la estabilidad del nudo del solitón, un estado de larga duración que influye en la evolución cósmica.
A medida que el universo se expande, la radiación ordinaria pierde energía a medida que se expanden las longitudes de onda, pero los nudos retienen la densidad de energía que domina el universo hasta que finalmente se deshacen a través de un túnel cuántico. Este proceso de desintegración produjo neutrinos diestros masivos, lo que contribuyó al desequilibrio de antimateria observado.
Los investigadores identificaron minuciosamente las relaciones matemáticas en su modelo y concluyeron que los procesos que describieron producirían de forma natural las abundancias materiales observadas hoy. Afirman que según su modelo se puede alcanzar una temperatura de recalentamiento de 100 GeV, ideal para producir materia a partir del desequilibrio de neutrinos, lo que afecta al fondo de ondas gravitacionales y su espectro de frecuencia.
Los futuros observatorios de ondas gravitacionales, como la Antena Espacial con Interferómetro Láser (LISA) y otros, pueden ser capaces de detectar estos cambios sutiles en las señales cósmicas, lo que respalda la existencia de una época dominada por nudos.
En última instancia, la investigación representa un resurgimiento del pensamiento de Lord Kelvin, pero de una manera más matizada y científicamente fundamentada. El equipo destacó que el estudio representa un paso importante para comprender cómo los nudos dieron forma al origen de la materia. A medida que perfeccionan sus modelos y simulaciones, pretenden crear conexiones más precisas entre estos nudos teóricos y las señales observables, abriendo formas de probar la naturaleza fundamental del universo.
