En los primeros momentos después del Big Bang, el universo se expandió miles de millones de veces más rápido que hoy. Es probable que una expansión tan rápida se deba a un campo de fuerza primordial que actúa con una nueva partícula, el inflaton. Del último análisis de la desintegración de mesones realizado en el experimento LHCb por físicos de Cracovia y Zurich, aparece, sin embargo, que el inflaton ligero mas probable, una partícula con las características del famoso bosón de Higgs pero menos masiva, casi con certeza no existe.

Justo después del Big Bang el universo probablemente experimentó una explosión extrema de expansión. Si la inflación se produjo, debería haber una nueva fuerza detrás de esto. Se teoriza que sus portadores de fuerza son inflatons no observados hasta ahora, que debería tener muchas características que recuerden al famoso bosón de Higgs. Físicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia (IFJ PAN) en Cracovia y de la Universidad de Zúrich (UZH) buscaron rastros de inflatons ligeros en la desintegración de mesones B + registrados por detectores en el experimento LHCb en el CERN cerca de Ginebra. . Análisis detallado de los datos, sin embargo, arroja dudas sobre la existencia de inflatons ligeros.

A pesar de sus débiles efectos, la gravedad influye en la apariencia del universo en las mayores escalas. Como consecuencia, todos los modelos cosmológicos modernos se basan en la mejor teoría de la gravedad, Teoría de la relatividad general de Albert Einstein. Los primeros modelos cosmológicos construidos sobre la relatividad sugieren que el universo fue una creación dinámica. Hoy dia, sabemos que alguna vez fue extremadamente denso y caluroso, y hace 13,8 mil millones de años, comenzó una rápida expansión. La teoría de la relatividad predice el curso de este proceso a partir de fracciones de segundo después del Big Bang.

"La principal evidencia de estos eventos es la radiación de fondo de microondas que se formó unos cientos de miles de años después del Big Bang. Actualmente corresponde a una temperatura de alrededor de 2,7 kelvins y llena uniformemente todo el universo. Es esta homogeneidad la que ha demostrado ser un gran rompecabezas, "dice el Dr. Marcin Chrzaszcz (IFJ PAN), y explica, "Cuando miramos al cielo, los fragmentos del espacio profundo visibles en una dirección pueden estar tan distantes de los visibles en otra dirección que la luz aún no ha tenido tiempo de pasar entre ellos. Entonces, nada de lo que haya sucedido en una de estas áreas debería afectar a la otra. Pero dondequiera que miremos la temperatura de regiones distantes del cosmos es casi idéntica. ¿Cómo pudo haberse vuelto tan uniforme? "

La uniformidad de la radiación de fondo de microondas se explica por el mecanismo propuesto por Alan Guth en 1981. En su modelo, el universo inicialmente se expandió lentamente, y todos los puntos observados hoy tuvieron tiempo de interactuar y nivelar la temperatura. Según Guth, en algún momento, sin embargo, debe haber habido una expansión muy breve pero extremadamente rápida del espacio-tiempo. La nueva fuerza responsable de esta inflación expandió el universo hasta tal punto que hoy, exhibe una uniformidad notable (en lo que respecta a la temperatura del fondo cosmológico de microondas).

"Un nuevo campo siempre significa la existencia de una partícula que es portadora del efecto. Por lo tanto, la cosmología se ha vuelto interesante para los físicos que examinan fenómenos a microescala. Durante mucho tiempo, un buen candidato para el inflatón parecía ser el famoso bosón de Higgs. Pero en 2012, el Higgs finalmente se observó en el acelerador europeo LHC, y resultó ser demasiado pesado. Si Higgs, con su masa, fue responsable de la inflación, La radiación relicta de hoy se vería diferente a lo que actualmente observa el COBE, Satélites WMAP y Planck, "dice el Dr. Chrzaszcz.

Los teóricos propusieron una solución a esta sorprendente situación:el inflatón podría ser una partícula completamente nueva con las propiedades de Higgs, pero con una masa menor. En mecánica cuántica, la naturaleza idéntica de las características hace que las partículas oscilen:se transforman cíclicamente unas en otras. Un modelo de inflación construido de esta manera tendría solo un parámetro que describa la frecuencia de oscilación / transformación entre el inflatón y el bosón de Higgs.

"La masa del nuevo inflatón podría ser lo suficientemente pequeña como para que la partícula aparezca en la desintegración de B ⁺ mesones. Y estos mesones de belleza son partículas registradas en gran número por el experimento LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones. Así que decidimos buscar la desintegración de los mesones a través de la interacción con el inflatón en los datos recopilados en el LHC de 2011 a 2012, "dice la estudiante de doctorado Andrea Mauri (UZH).

Si realmente existieran inflatons ligeros, El b ⁺ El mesón a veces se descomponía en un kaón (K ⁺ mesón) y una partícula de Higgs, que se convertiría en un inflatón como resultado de la oscilación. Después de viajar unos metros en el detector, el inflatón se descompondría en dos partículas elementales:muones y antimuones. Los detectores del experimento LHCb no registrarían la presencia ni del Higgs ni del inflatón. Investigadores de la FIP PAN, sin embargo, Se esperaba ver la emisión de kaones y la aparición de pares muón-antimuón respectivamente.

"Dependiendo del parámetro que describe la frecuencia de la oscilación inflaton-Higgs, el curso de B ⁺ la desintegración del mesón debería ser ligeramente diferente. En nuestro análisis, buscábamos desintegraciones de hasta el 99 por ciento de los posibles valores de este parámetro, y no encontramos nada. Por lo tanto, podemos decir con gran certeza que el inflaton ligero simplemente no existe, "dice el Dr. Chrzaszcz.

Teóricamente Los inflatons de baja masa aún pueden estar ocultos en el 1 por ciento de las variaciones de oscilación no examinadas. Estos casos eventualmente serán excluidos por análisis futuros que utilicen datos más recientes que ahora se están recopilando en el LHC. Sin embargo, Los físicos tienen que reconciliar la idea de que si existen inflatons, son más masivas de lo que se creía anteriormente, o ocurren en más de una variación.