La naturalidad en Física me recuerda al movimiento Dogma de Lars Von Trier. La física conocida no es natural, pero la nueva física debe serlo.
El axión es un candidato a materia oscura predicho por el Modelo Estándar, pero no es natural por su baja masa. Dan Hooper (Univ. Chicago) y dos colegas proponen una segunda inflación cósmica natural para lograr que la física del axión sea natural y logre una candidatura al Óscar de la naturalidad.
La propuesta me parece un poco forzada, un poco antinatural, pero Hooper manifiesta que además de natural, su naturalidad puede se extendida a otras partículas candidatas a materia oscura de gran masa. Igual que las películas Dogma, que lucen un certificado como garantía de autenticidad, la propuesta de Hooper y sus colegas ha sido certificadagracias a su publicación en la revista Physical Review Letters.
El artículo es Hooman Davoudiasl, Dan Hooper, Samuel D. McDermott, “Inflatable Dark Matter,” Accepted, Physical Review Letters (2016), arXiv:1507.08660 [hep-ph]. Me enteré gracias a Kanijo, “Una segunda inflación explicaría el exceso de materia oscura”,Ciencia Kanija 2.0, 19 Ene 2016, traducción de “New Theory of Secondary Inflation Expands Options for Avoiding an Excess of Dark Matter,” BNL News, 14 Jan 2016.
Por cierto, en este blog recomiendo leer “La búsqueda del axión como candidato a materia oscura”, LCMF, 03 Jun 2014.
Las anomalías teóricas en el Modelo Estándar requieren una solución. La más sencilla ynatural suele ser una de las primeras que se proponen.
El problema CP fuerte en la QCD se resuelve gracias al mecanismo de Peccei–Quinn, que se puede considerar comopredicción del Modelo Estándar hasta que no sea refutado por los experimentos.
Dicho mecanismo predice la existencia de una nueva partícula, el axión (a).
Este bosón pseudoescalar es candidato a partícula de materia oscura si su masa ma ∼ O(μeV), resultando Ωa ∼ ΩDM ∼ 0,26. Pero dicha masa no es natural, requiere que el parámetro de Peccei–Quinn sea f ∼ 1012 GeV, cuando un valor más natural es f ∼ MGUT ∼ 1016 GeV. Los límites actuales indican que ma < 10 meV, con f > 109 GeV.
Que el valor de f sea cuatro órdenes de magnitud más pequeño que su valor natural puede ser un problema, o no. Si lo es, debería existir una solución natural a dicho problema. Las partículas WIMP de materia oscura tienen un problema similar. Lo natural es que tengan una masa en la escala electrodébil, mX ∼ O(100 GeV), pero nadie puede descartar que tengan una masa varios órdenes de magnitud mayor, como mX ∼ O(100 TeV).
Su masa no sería natural, pero esto puede ser un problema, o no. Hooper y sus colegas proponen una segunda fase inflacionaria en el universo primordial como solución al problema de la falta de naturalidad de partículas candidatas a materia oscura tanto con muy baja masa, como el axión, como con muy alta masa, como un WIMP más allá del alcance del LHC.
Una elección adecuada del potencial del campo inflatón (omito detalles) permite que aparezca una segunda fase inflacionaria (menos caliente que la primera). Esta fase tardía puede diluir la abundancia actual de la materia oscura incluso para partículas de muy baja masa o de muy alta masa.
La idea no es nueva (David H Lyth, Ewan D Stewart, “Thermal Inflation and the Moduli Problem,” Phys. Rev. D 53: 1784-1798 (1996), doi:10.1103/PhysRevD.53.1784, arXiv:hep-ph/9510204). La fase de recalentamiento tras la (primera) inflación cósmica determina la densidad de las partículas de materia oscura y de materia ordinaria.
La segunda fase de recalentamiento tras la segunda inflación tiene un efecto muy pequeño sobre la densidad de la materia (fermiones), pero puede ser muy grande sobre la materia oscura (bosones).
En el recalentamiento de la (primera) inflación la energía del campo inflatón se transforma en energía para todos los campos, pasando el universo a estar dominado por la radiación y a excitarse los campos de todas las partículas de materia (quarks, leptones cargados y neutrinos) y de materia oscura.
Pero para partículas de materia oscura de baja masa o de gran masa resulta una densidad que evoluciona a un valor actual que difiere de la observada.
Gracias a la fase de recalentamiento de la segunda inflación, que afecta a la materia oscura, pero no a la ordinaria, se puede diluir la densidad de materia oscura y se obtiene un valor compatible con el actual.
El factor de dilución (Δ) puede ajustarse de forma natural para permitir que las partículas de materia oscura tengan un amplio rango de masas (como muestra la figura) manteniendo un valor actual de ΩDM ∼ 0,26.
En resumen, complicar la física de la inflación permite que las partículas de materia oscura tengan la densidad observada hoy en día incluso con masas muy diferentes de las que favorece una versión sencilla de la inflación.
Igual que el Manifiesto Dogma complica el guión para que la película parezca más natural, nunca se sabe si es más natural lo complicado más natural o lo sencillo menos natural.
La naturalidad en la ciencia y en el arte tiene estas cosas.
http://francis.naukas.com/
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