La fase más simple y mejor conocida es el periodo en el cual la radiación y la materia estuvieron en equilibrio, con la densidad de radiación dominando la densidad de materia. Durante este tiempo, el universo primordial se fue llenando con una mezcla uniforme de radiación y materia bajo condiciones físicas muy bien conocidas.
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Época de Planck: Los vestigios del tiempo se remontarían a los 10-43 segundos luego del “Big Bang”, ocurrido hace aproximadamente catorce mil millones de años, en un entorno con temperaturas del orden de los 1032 K, donde se presume que las cuatro fuerzas fundamentales (nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravitatoria) estaban unificadas y no existían partículaselementales. Aquí las teorías de cuerdas12, supercuerdas13 y membranas14 en conjunto con la llamada gravedad cuántica, explicarían un universo con ta- maño del orden de los 10-33 cm. A los 10-36 segundos se produce una ruptura espontánea de la simetría, donde las fuerzas nucleares fuertes y electrodébi- les se separan y dejan de ser una misma interacción.
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Época de la Gran Unificación: A los 10-35 segundos después del “Big Bang”, se inicia un periodo de expansión exponencial (en distancias, dentro de una métrica en un espacio de de Sitter) llamado periodo inflacionario. Con tem- peratura del orden de los 1027 K, dominaron los llamados campos primor- diales, es decir, aquellos que se formaron inicialmente, como así también aparecieron fluctuaciones cuánticas en el campo del inflatón15. Si realmente existieron los campos magnéticos primordiales, habrían influido en la evo- lución del Universo, por ejemplo, desviando su expansión en una dirección. Aquí debieron haberse formado grandes cantidades de monopolos magné- ticos, los cuales se aniquilarían poco después (salvo una cierta cantidad que actualmente se trata de detectar). Resulta interesante comentar que estos campos primordiales habrían sido identificados; en efecto, en un trabajo pu- blicado por Alecian y colaboradores (2009), los autores muestran eviden- cias observacionales de campos magnéticos primordiales en una muestra de estrellas de secuencia principal16 de tipo espectrales A y B. A los 10-33 segundos después del “Big Bang” finalizó el periodo inflacionario y se pro- 12 La Teoría de Cuerdas propone que el universo estaría compuesto fundamentalmente por objetos unidi- mensionales que son similares a una “cuerda”. Estas cuerdas serían tan pequeñas que incluso en la dimi- nuta escala de las partículas parecerían como puntos. En esta teoría, cada partícula es creada de alguna forma por diferentes patrones de oscilación de dichas cuerdas. Con ellas se logra superar los problemas de causalidad y limitaciones de la Teoría de la Relatividad.13 La Teoría de Supercuerdas unifica las partículas y las fuerzas fundamentales como vibraciones de “cuerdas supersimétricas” delgadas moviéndose es un espacio-tiempo de más de 4 dimensiones. 14 La Teoría de las Membranas fue propuesta en 1995 por Edward Witten (1951- ) y unifica las cinco teorías de las supercuerdas. Identifica once dimensiones, donde la “supergravedad” (teoría de campo que combina principios de supersimetría y relatividad general) interactúa entre membranas de 2 a 5 dimen- siones. Esto evidenciaría la existencia de infinitos universos paralelos, algunos de los cuales serían como el nuestro.
15 Partícula elemental introducida en 1981 y en forma independientemente por Alan Guth y Andrei Linde (1948- ), la cual sería responsable del periodo inflacionario.
16 Etapa evolutiva de las estrellas que transitan la mayor parte de su tiempo y se caracteriza por un estado de equilibrio entre la gravedad y el campo de radiación que emiten. El Sol se encuentra promediando este
dujo un cambio de fase en el universo recién creado, denominado periodo de recalentamiento. La energía del vacío responsable de la expansión dio ori- gen a las partículas subatómicas y los fotones, comenzando la radiación a ser la especie dominante del universo. Debido a su crecimiento exponen- cial, cada porción del mismo (en una escala del tamaño de la longitud de Planck17) ha alcanzado tamaños del orden del metro. Aquellas variaciones cuánticas del periodo inflacionario forman irregularidades que provocará que la materia se empiece a aglutinar gravitatoriamente y formarán las simientes que originarán (en el futuro) las grandes estructuras de materia (galaxias). A los 10-32 segundos después del “Big Bang” se inició la etapa de creación de los bariones (periodo de bariogénesis). Con temperaturas del orden de 1026 K, aparece un ligero predominio de los protones (materia) sobre los anti- protones antimateria18 (10-6 %), por lo que se podría decir que aquí se inicia la creación de la materia. A continuación parecería existir un periodo relati- vamente corto de calma, que va desde los 10-35 a 10-12 segundos, en donde disminuye considerablemente la temperatura hasta 1016 K. Se cree que pro- bablemente fue aquí donde se habría incrementado el número de partículas del Modelo Estándar, de forma que a cada partícula le correspondería una partícula “supersimétrica”, y de esta forma cada bosón tendría por “super- compañera” un fermión y viceversa19.
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Época Electrodébil: A los 10-12 segundos después del “Big Bang”, ocurrió una nueva transición de fase en la cual debido a la ruptura espontánea de la sime- tría, la interacción electrodébil se desacopla en las interacciones nucleares débiles y electromagnéticas. Con temperaturas del orden de 1015 K, las partí- culas electrodébiles adquieren masa y nace el Electromagnetismo. Es a partir de este momento que se puede describir el estado del universo mediante 17 Es la distancia que limita los dominios de la geometría clásica y el de la gravedad cuántica. Equivale a la distancia que recorre un fotón, viajando a la velocidad de la luz, en el tiempo de Planck, siendo su valor aproximado de18 “Otro” tipo de materia formada de antipartículas, la cual es menos frecuente. El contacto de ella con la materia ordinaria provocaría la aniquilación de ambas y la producción de fotones de alta energía (rayos g) y otros pares de partícula y antipartícula.
19 Los “supercompañeros” bosones tiene prefijos “s” y los “supercompañeros” fermiones se les asigna el sufijo “-ino”. Como aún no han podido ser creadas en los aceleradores de partículas, implicaría que sus masas deben ser mucho mayores que las de las partículas originales y, por lo tanto, la “supersimetría” seguiría “rota”. Es interesante destacar que algunas de estas partículas “supersimétricas”, como el neutra- lino, podrían explicar el problema de la materia oscura.
la física estándar bien conocida actualmente, con un tamaño del orden del sistema solar.
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Época Hadrónica: A los 10-6 segundos después del “Big Bang”, se inicia un proceso de aniquilación de electrones y positrones, debido a su diferente condición de materia. A los 10-5 segundos después se recombinan los hadro- nes, formándose protones y neutrones a partir del plasma de quark y gluones. Estos están constituidos, respectivamente, por dos quarks “up” y uno “down” y por dos “down” y uno “up”. Asimismo, debido a que la temperatura era del orden de los 1012 K, algunos quarks desaparecieron por completo, tales como los “charm”, “strange”, “top” y “buttom”, pudiéndoselos reproducir ahora en los aceleradores de partículas. Como los quarks “up” y “down” son más es- tables, forman parte de la materia ordinaria. Es recién a los 10-4 segundos cuando los neutrinos pueden desplazarse libremente en un ambiente con temperatura del orden de 1013 K. Los antiprotones aniquilan a los protones produciendo una gran cantidad de fotones en proporción a los protones y neutrones restantes. Este escenario está completamente explicado por la fí- sica estándar.•
Época Leptónica: Al segundo después del “Big Bang”, la temperatura des- ciende hasta los 1010 K, produciéndose un desacoplamiento débil entre los neutrinos cosmológicos del plasma primordial, en el sentido de que ahora la radiación se encuentra en forma de fotones, neutrinos y antineutrinos, y la materia en forma de electrones, positrones y una pequeña concentra- ción de protones y neutrones (denominados nucleones), en una proporción aproximada de un nucleón por cada mil millones de partículas. El universo ha alcanzado un tamaño del orden de las decenas de años luz y todas las partí- culas están en permanente colisión, y a medida que se expandía disminuía la densidad de energía. Sus ingredientes constituían una sopa cósmica formada por partes iguales de fotones, neutrinos, muones tau y antipartículas, y pocos protones y neutrones.•
Época Fotónica: A los 5 segundos después del “Big Bang” se produce la ani- quilación electrón-positrón, y la energía liberada sirve para aumentar (calen- tar) la energía de los fotones. Una evidencia actual de ello es que la radiación cósmica de fondo de microonda de 2,7 K es mayor que el fondo cósmico de neutrinos de 2 K. A partir de los tres minutos después del “Big Bang”, los taunones y muones desaparecieron, los neutrinos recorrieron libremente el espacio creado, mientras que los fotones inician el periodo radiativo y el pro- ceso de la nucleosíntesis primordial. En él, los núcleos de los átomos ligeros deH pesado (Deuterio D o 2H), interaccionan con protones para formar Tritio, 3He, 4He y 3Li, de una manera uniforme y tan estable que aún hoy se observa. También se formaron los núcleos atómicos más livianos.