En los vacíos cósmicos donde la densidad de las galaxias es mucho más baja que la estándar, los astrónomos han observado campos magnéticos débiles que pueden proporcionar una ventana al universo primitivo. Los campos 10 ^-17 -10 ^-10 Se cree que G en magnitud con grandes longitudes de coherencia de hasta megaparsecs tienen su origen en el universo temprano, pero hasta ahora no está claro cuándo o cómo se generaron. Una hipótesis es que un desequilibrio en el número de fermiones "zurdos" y "diestros" puede estar en el centro de la misma, ya que esto podría dar lugar a campos magnéticos helicoidales. Pero hasta ahora no ha habido un análisis detallado de cómo la evolución del número de fermiones zurdos y diestros podría compararse con esta hipótesis. Ahora, una colaboración de investigadores en Europa informa un análisis más riguroso de este desequilibrio de quiralidad con resultados sorprendentes.

La lateralidad o quiralidad de los fermiones es una propiedad fundamental de las partículas cuánticas (relevante para la descripción de la interacción débil entre ellas). "Para los fermiones sin masa, coincide con la helicidad de la partícula, es decir, la proyección del giro de la partícula en la dirección de su movimiento, "explica Oleksandr Sobol, investigador postdoctoral en la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne en Swtizerland y la Universidad de Kiev, y autor correspondiente de este último informe. "Sin embargo, para los fermiones masivos reales no existe una analogía simple ".

Oleksandr explica que ciertos procesos pueden cambiar la quiralidad, que tiende a nivelar el desequilibrio en la quiralidad del fermión con el tiempo. Hasta ahora, los cosmólogos se han basado en una estimación de esta tasa de desintegración basada en las reacciones más simples involucradas en estos procesos. De acuerdo con estos principios, la tasa de desintegración es proporcional al cuadrado de una constante fundamental conocida como constante de estructura fina, que cuantifica la fuerza de las interacciones electromagnéticas entre partículas fundamentales. Sin embargo, Una de las cosas que esta estimación no tiene en cuenta es la forma en que las partículas en un plasma se diferencian de las partículas en el vacío. Resulta que esto tiene un impacto significativo en los cálculos de la probabilidad de uno de los procesos de dispersión que puede cambiar la quiralidad de una partícula.

Efectos ambientales

En cualquier proceso de dispersión, el impulso se transfiere de una partícula en colisión a otra, explica Sobol. Cuanto menor sea el impulso transferido, cuanto mayor sea la probabilidad de que se produzca la dispersión. En su análisis de la tasa de deterioro del desequilibrio de quiralidad, él y sus colaboradores se enfocan principalmente en la dispersión de Compton donde un electrón y un fotón chocan, que puede cambiar la quiralidad del electrón. Aquí, como destaca Sobol, cuando el electrón y el fotón intercambian sus momentos sin que los valores de los momentos cambien mucho, la probabilidad de dispersión realmente puede dispararse, creciendo tan rápido que la integración de todos los posibles valores de transferencia de impulso tiende al infinito, una denominada singularidad infrarroja, donde el infrarrojo se refiere a la baja transferencia de impulso involucrada.

"Obviamente, esto no es físico, porque todas las cantidades deben permanecer finitas, "añade Sobol, señalando que teniendo en cuenta las diferencias entre partículas en plasma y en vacío se puede resolver el problema. "El medio ambiente cambia la dispersión de energía de las partículas y hace que su vida útil sea finita". Teniendo en cuenta estos efectos ambientales, los investigadores pudieron hacer que todas las cantidades fueran finitas. Lo que también encontraron para su sorpresa, fue que una de las constantes de estructura fina en la relación de tasa de desintegración de la quiralidad se cancela entonces de manera que la tasa se vuelve linealmente proporcional a la constante de estructura fina.

El cambio en la relación que describe la tasa de caída le da un valor dos órdenes de magnitud más rápido que el establecido por la estimación anterior. Si bien una discrepancia tan grande puede parecer algo que debería haberse detectado en algún punto de la línea antes, o al menos verificado, solo recientemente los cálculos numéricos que utilizan estos valores han sido realmente viables. "El análisis cuantitativo de plasmas con desequilibrio quiral requiere simulaciones complicadas y numéricamente costosas que la gente no podía realizar hace muchos años, "dice Sobol". En otras palabras, hasta hace poco, no se necesitaba el valor numérico exacto de la tasa de cambio de quiralidad ". También destaca que tampoco estaba claro cómo calcular esta tasa, ya que requiere algunas matemáticas "no triviales":una expansión perturbadora doble, en la constante de estructura fina y masa de electrones.

Entonces, con una tasa de desintegración tan rápida confirmada, ¿se acabó el juego para las teorías de los campos magnéticos primordiales generados a través del desequilibrio de la quiralidad del fermión? No exactamente. Como señala Sobol, otro factor clave es la rapidez con la que se puede transferir el desequilibrio de quiralidad al campo magnético. "Esta tasa aún se desconoce y definitivamente debería calcularse, ", dice Sobol." Sólo conociendo ambas tasas se podría concluir sobre la posibilidad de magnetogénesis en este modelo ".

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