Cómo nació el Universo: los científicos calculan el primer instante tras el Big Bang

Un equipo de científicos italianos ha logrado describir con exactitud el comportamiento del plasma de quark-gluón en los primeros instantes tras el Big Bang y la formación del Universo. 

Los científicos observan que el estado del plasma de quark-gluón en el los primeros momentos del Universo duró sólo unos pocos microsegundos. Después, el Universo comenzó a enfriarse. En esta etapa, los quarks y los gluones se combinaron en bariones, como protones y neutrones. Al mismo tiempo, se produjo una formación asimétrica tanto de materia, que prevaleció, como de antimateria, que se aniquilaron mutuamente, convirtiéndose en radiación electromagnética.

Durante muchas décadas, los físicos han intentado describir con precisión el estado del plasma de quarks y gluones, pero el problema es que la interacción nuclear fuerte que une los quarks entre sí es demasiado compleja para describirla con las herramientas matemáticas tradicionales.

Sin embargo, un grupo de investigadores italianos ha conseguido calcular con detalle la ecuación de estado de este plasma de quarks y gluones. Calcularon la relación entre temperatura, presión y energía en este plasma. El problema clave era la interacción nuclear fuerte, que se comporta de manera anormal e imprevisible en las condiciones correspondientes al estado de los primeros momentos del Universo.

La teoría de perturbaciones, que calcula las interacciones paso a paso mediante diagramas de Feynman, no funciona en este caso porque la constante de acoplamiento de la interacción fuerte entre partículas no es pequeña. Esto significa que las correcciones de orden superior no se reducen y el aparato matemático se vuelve incontrolable. 

Para resolver este problema, un grupo de investigadores utilizó el método de la cromodinámica cuántica sobre un entramadose trata de cromodinámica cuántica formulada sobre un entramado discreto de espaciotiempo euclidiano. Puede imaginarse como un tablero de ajedrez de cuatro dimensiones que representa el espaciotiempo. En cada una de sus casillas hay partículas, y la interacción entre ellas puede calcularse paso a paso.

Pero incluso este método tiene limitaciones. Los resultados preliminares de las simulaciones de cromodinámica cuántica de celosía han demostrado la capacidad de alcanzar temperaturas de plasma por debajo de un gigaelectronvoltios, que es mucho menor de la transición de fase electrodébil (unos 100 GeV) en el momento en que las partículas adquirieron masa. 

Así, los investigadores decidieron combinar la cromodinámica cuántica reticular con simulaciones de Montecarlo — un método que utiliza el muestreo aleatorio para resolver problemas complejos. Se centraron en una versión simplificada del Universo lleno de tres tipos de quarks prácticamente sin masa. Esto significa que, aunque los quarks tengan masas en reposo minúsculas (menos de 500 MeV/c²), a temperaturas extremadamente altas (varios GeV) estas masas son insignificantes en comparación con su energía total.

Esto simula con precisión las condiciones durante los primeros milisegundos tras el Big Bang. A continuación, realizaron cálculos en un amplio rango de temperaturas, de tres GeV a 165 GeV, antes de la transición electrodébil. Esto les permitió crear una fórmula matemática que describe la densidad de entropía del plasma de quark-gluones.

Los científicos consiguieron descubrir algo interesante: incluso a temperaturas muy elevadas, los quarks y los gluones del plasma no se comportaban como partículas libres. La interacción fuerte seguía dominando y empezaba a desempeñar un papel clave en la formación del Universo mucho antes de lo que esperaban los físicos.

The Universe will disappear much earlier than thought — scientists have clarified when