Los físicos están aprovechando una conexión directa entre las estructuras cósmicas más grandes y los objetos más pequeños conocidos para usar el universo como un "colisionador cosmológico" e investigar nueva física.

El mapa tridimensional de las galaxias en todo el cosmos y la radiación sobrante del Big Bang, llamada fondo cósmico de microondas (CMB), son las estructuras más grandes del universo que los astrofísicos observan con telescopios. Partículas elementales subatómicas, por otra parte, son los objetos más pequeños conocidos en el universo que los físicos de partículas estudian utilizando colisionadores de partículas.

Un equipo que incluye a Xingang Chen del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica (CfA), Yi Wang de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) y Zhong-Zhi Xianyu del Centro de Ciencias y Aplicaciones Matemáticas de la Universidad de Harvard han utilizado estos extremos de tamaño para investigar la física fundamental de una manera innovadora. Han demostrado cómo se pueden inferir las propiedades de las partículas elementales en el modelo estándar de física de partículas mediante el estudio de las estructuras cósmicas más grandes. Esta conexión se realiza a través de un proceso llamado inflación cósmica.

La inflación cósmica es el escenario teórico más aceptado para explicar lo que precedió al Big Bang. Esta teoría predice que el tamaño del universo se expandió a un ritmo extraordinario y acelerado en la primera fracción fugaz de segundo después de la creación del universo. Fue un evento muy enérgico, durante el cual todas las partículas del universo se crearon e interactuaron entre sí. Esto es similar al entorno que los físicos intentan crear en colisionadores terrestres, con la excepción de que su energía puede ser 10 mil millones de veces más grande que cualquier colisionador que los humanos puedan construir.

La inflación fue seguida por el Big Bang, donde el cosmos continuó expandiéndose durante más de 13 mil millones de años, pero la tasa de expansión se ralentizó con el tiempo. Las estructuras microscópicas creadas en estos eventos energéticos se extendieron por todo el universo, resultando en regiones que eran ligeramente más densas o menos densas que las áreas circundantes en el universo temprano por lo demás muy homogéneo. A medida que evolucionó el universo, las regiones más densas atraen cada vez más materia debido a la gravedad. Finalmente, las estructuras microscópicas iniciales sembraron la estructura a gran escala de nuestro universo, y determinó la ubicación de las galaxias en todo el cosmos.

En colisionadores terrestres, Los físicos e ingenieros construyen instrumentos para leer los resultados de los choques. La pregunta es entonces cómo debemos leer los resultados del colisionador cosmológico.

"Muchos años atrás, Yi Wang y yo, Nima Arkani-Hamed y Juan Maldacena del Instituto de Estudios Avanzados, y varios otros grupos, descubrió que los resultados de este colisionador cosmológico están codificados en las estadísticas de las estructuras microscópicas iniciales. Mientras el tiempo pasa, se imprimen en las estadísticas de la distribución espacial de los contenidos del universo, como las galaxias y el fondo cósmico de microondas, que observamos hoy, ", dijo Xingang Chen." Al estudiar las propiedades de estas estadísticas, podemos aprender más sobre las propiedades de las partículas elementales ".

Como en los colisionadores terrestres, antes de que los científicos exploren nueva física, es crucial comprender el comportamiento de las partículas fundamentales conocidas en este colisionador cosmológico, como se describe en el modelo estándar de física de partículas.

"El número relativo de partículas fundamentales que tienen diferentes masas, lo que llamamos espectro de masas, en el modelo estándar tiene un patrón especial, que puede verse como la huella dactilar del modelo estándar, "explicó Zhong-Zhi Xiangyu." Sin embargo, esta huella dactilar cambia a medida que cambia el entorno, y se habría visto muy diferente en el momento de la inflación de cómo se ve ahora ".

El equipo mostró cómo se vería el espectro de masas del modelo estándar para diferentes modelos de inflación. También mostraron cómo este espectro de masas está impreso en la apariencia de la estructura a gran escala de nuestro universo. Este estudio allana el camino para el futuro descubrimiento de nueva física.

"Las observaciones en curso del CMB y la estructura a gran escala han logrado una precisión impresionante de la que se puede extraer información valiosa sobre las estructuras microscópicas iniciales, "dijo Yi Wang." En este colisionador cosmológico, cualquier señal de observación que se desvíe de la esperada para las partículas en el Modelo Estándar sería entonces un signo de nueva física ".

La investigación actual es solo un pequeño paso hacia una era emocionante en la que la cosmología de precisión mostrará todo su poder.

"Si tenemos la suerte de observar estas huellas, no solo podríamos estudiar la física de partículas y los principios fundamentales en el universo temprano, pero también comprender mejor la inflación cósmica en sí. A este respecto, todavía hay todo un universo de misterios por explorar, "dijo Xianyu.

Esta investigación se detalla en un artículo publicado en la revista Cartas de revisión física el 29 de junio 2017, y la preimpresión está disponible en línea.