Durante generaciones, los físicos estuvieron seguros de que las leyes de la física eran perfectamente simétricas. Hasta que dejaron de serlo. La simetría es una idea ordenada y atractiva que se desmorona en nuestro desordenado universo. De hecho, desde la década de 1960, se ha necesitado algún tipo de simetría rota para explicar por qué hay más materia que antimateria en el universo, es decir, por qué existe todo esto.

Sin embargo, ha sido imposible determinar el origen de esta violación de la simetría existencial, e incluso probarlo.

Ahora astrónomos de la Universidad de Florida han hallado la primera prueba de esta necesaria violación de la simetría en el momento de la creación. Los científicos de la UF estudiaron la friolera de un millón de billones de cuatrillizos galácticos tridimensionales en el universo y descubrieron que, en un momento dado, el universo prefirió un conjunto de formas a sus imágenes especulares.

Esta idea, conocida como violación de la simetría de paridad, apunta a un periodo infinitesimal en la historia de nuestro universo en el que las leyes de la física eran diferentes a las actuales, con enormes consecuencias para la evolución del universo.

El hallazgo, establecido con un alto nivel de confianza estadística, tiene dos consecuencias principales. En primer lugar, esta violación de la paridad sólo podría haberse impreso en las futuras galaxias durante un periodo de inflación extrema en los primeros momentos del universo, lo que confirmaría un componente central de la teoría del Big Bang sobre el origen del cosmos.

La violación de la paridad también ayudaría a responder quizás la pregunta más crucial de la cosmología: ¿Por qué hay algo en lugar de nada? Y es que la violación de la paridad es necesaria para explicar por qué hay más materia que antimateria, una condición esencial para que las galaxias, las estrellas, los planetas y la vida se formen de la manera en que lo han hecho.

Foto NASA, H. Ford (JHU), G. Illingworth (UCSC/LO), M.Clampin (STScI), G. Hartig (STScI), the ACS Science Team, and ESA en Wikimedia Commons

Siempre me han interesado las grandes preguntas sobre el universo. ¿Cuál es el principio del universo? ¿Cuáles son las reglas bajo las que evoluciona? ¿Por qué hay algo en lugar de nada?, dijo Zachary Slepian, profesor de astronomía de la UF que supervisó el nuevo estudio. Este trabajo aborda esas grandes preguntas.

Slepian trabajó con el investigador postdoctoral de la UF y primer autor del estudio, Jiamin Hou, y el físico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Robert Cahn para llevar a cabo el análisis. El trío publicó sus conclusiones el 22 de mayo en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Los mismos investigadores propusieron por primera vez la idea de buscar la violación de la paridad utilizando cuatrillizos de galaxias en un artículo que también se publicó recientemente en Physical Review Letters.

La simetría de paridad es la idea de que las leyes físicas no deberían preferir una forma a su imagen especular. Los científicos suelen utilizar el lenguaje de la «lateralidad» para describir este rasgo, porque nuestras manos izquierda y derecha son imágenes especulares con las que todos estamos familiarizados. No hay forma de girar la mano izquierda en tres dimensiones para que se parezca a la derecha, lo que significa que siempre se distinguen la una de la otra.

La violación de la paridad significaría que el universo tiene preferencia por formas zurdas o diestras. Para descubrir la lateralidad del universo, el laboratorio de Slepian imaginó todas las combinaciones posibles de cuatro galaxias conectadas por líneas imaginarias en el espacio. Esto da lugar a un objeto tridimensional llamado tetraedro, como una pirámide invertida, la forma más simple que tiene una imagen especular. Los científicos definieron los tetraedros galácticos derechos e izquierdos basándose en la forma en que las galaxias estaban conectadas con sus compañeras más cercanas y más lejanas en estas formas imaginarias.

Su método requería analizar un billón de tetraedros imaginarios por cada millón de galaxias, un número alucinante de combinaciones. Al final nos dimos cuenta de que necesitábamos nuevas matemáticas, explica Slepian.

Así que el equipo de Slepian desarrolló sofisticadas fórmulas matemáticas que permitieron realizar los inmensos cálculos en un tiempo razonable. Aun así, requería una potencia de cálculo considerable. La tecnología única de la UF que tenemos aquí con el superordenador HiPerGator nos permitió ejecutar el análisis miles de veces con diferentes configuraciones para probar nuestro resultado, dijo.

Los aspectos técnicos del análisis dificultan determinar si el universo prefiere las formas «diestras» o «zurdas», pero los científicos vieron pruebas claras de que el cosmos tiene una preferencia. Establecieron su hallazgo con un grado de certeza conocido como siete sigma, una medida de lo improbable que es obtener el resultado basándose únicamente en el azar. En física, un resultado con un valor sigma igual o superior a cinco suele considerarse fiable, ya que las probabilidades de que se produzca un resultado fortuito a este nivel son increíblemente pequeñas. Un análisis similar, realizado por un antiguo miembro del laboratorio de Slepian, identificó la misma preferencia universal por la forma, aunque con una confianza estadística ligeramente menor debido a las diferencias en el diseño del estudio.

Aunque los científicos confían en esta señal de violación de la paridad, sigue siendo posible que la incertidumbre en las mediciones subyacentes pueda explicar la asimetría. Afortunadamente, muestras mucho mayores de galaxias procedentes de telescopios de nueva generación podrían proporcionar datos suficientes para borrar estas incertidumbres en unos pocos años. El grupo de Slepian en la UF llevará a cabo su análisis con estos datos nuevos y más sólidos como parte del equipo del telescopio Dark Energy Spectroscopic Instrument.

No es la primera vez que se detecta una violación de la paridad, pero sí la primera prueba de que podría afectar a la agrupación tridimensional de galaxias en el universo. Una de las fuerzas fundamentales, la fuerza débil, también viola la paridad. Pero su alcance es extremadamente limitado, y no puede influir en la escala de las galaxias. Esa influencia galáctica requeriría que se produjera una violación de la paridad justo en el momento del Big Bang, un periodo conocido como inflación.

Dado que la violación de la paridad sólo puede imprimirse en el universo durante la inflación, si lo que hemos descubierto es cierto, es una prueba irrefutable de la inflación, afirma Slepian.

La violación de la paridad de la fuerza débil tampoco podría explicar la abundancia de materia. En un universo simétrico, el Big Bang debería haber creado cantidades iguales de materia y antimateria, que se habrían aniquilado mutuamente y dejado el universo desprovisto de estrellas y planetas. Dado que el universo estaba formado en su mayor parte por materia, los físicos han buscado durante mucho tiempo algún indicio de asimetría en la creación primitiva.

Los hallazgos del laboratorio de Slepian aún no pueden explicar cómo acabamos con esta crucial abundancia de materia. El «cómo» requerirá una nueva física que vaya más allá del Modelo Estándar, que explica nuestro universo actual. Pero los nuevos resultados sugieren claramente que hubo una asimetría en los primeros momentos del Big Bang.

Ahora los científicos tienen que elaborar una teoría que explique la preferencia del universo por la imagen especular y el exceso de materia.


Fuentes

University of Florida | Jiamin Hou et al., Measurement of parity-odd modes in the large-scale 4-point correlation function of Sloan Digital Sky Survey Baryon Oscillation Spectroscopic Survey twelfth data release CMASS and LOWZ galaxies, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 522, Issue 4, July 2023, Pages 5701–5739, doi.org/10.1093/mnras/stad1062


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