{"id":341,"date":"2020-09-15T12:00:00","date_gmt":"2020-09-15T10:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/?p=341"},"modified":"2020-09-14T19:44:34","modified_gmt":"2020-09-14T17:44:34","slug":"el-universo-temprano-i-el-desacoplamiento-de-los-neutrinos","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/2020\/09\/15\/el-universo-temprano-i-el-desacoplamiento-de-los-neutrinos\/","title":{"rendered":"El universo temprano (I): el desacoplamiento de los neutrinos"},"content":{"rendered":"\n

El verdadero principio del Universo es algo que se escapa a nuestro conocimiento. De hecho, poni\u00e9ndonos filos\u00f3ficos, podr\u00edamos decir que ni siquiera sabemos con certeza si verdaderamente hubo un inicio<\/em>. Lo que s\u00ed podemos asegurar, abusando un poco del lenguaje, es que el universo conocido nace a partir de un estado sumamente denso, sumamente concentrado, que, tras una primera fase de expansi\u00f3n que se supone ultra acelerada, retoma un ritmo de dilataci\u00f3n m\u00e1s calmado pero continuo, hasta llegar finalmente al estado que presenta en la actualidad.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n

Justo tras esa fase inicial de r\u00e1pida expansi\u00f3n (conocida como inflaci\u00f3n<\/a>), de las tres categor\u00edas en las que podemos englobar los ingredientes que componen el Universo (radiaci\u00f3n, materia y energ\u00eda oscura, v\u00e9ase por ejemplo El Modelo Cosmol\u00f3gico Est\u00e1ndar<\/a>), la radiaci\u00f3n toma las riendas y dirige el futuro del Cosmos. Su hegemon\u00eda no dura mucho, apenas unos miles de a\u00f1os, un per\u00edodo extremadamente peque\u00f1o en comparaci\u00f3n con la edad del Universo (no muy diferente a lo que dura un parpadeo si lo comparamos con toda una semana), pero suficientemente largo para que el Universo sufra cambios que marquen su futuro.<\/p>\n\n\n\n

Muchos de estos cambios, de hecho, ocurren en el transcurso de apenas unos minutos desde el Big Bang<\/a>. En cierto modo, resulta perturbador pensar que el destino del Universo fue escrito, al menos en gran parte, en menos tiempo del que nosotros empleamos en comernos un bocadillo.<\/p>\n\n\n\n

\u00bfQu\u00e9 puede suceder en un lapso de tiempo tan peque\u00f1o y ser tan importante? Nada menos que procesos como el desacoplamiento de los neutrinos<\/em>, la aniquilaci\u00f3n de pares electr\u00f3n-positr\u00f3n (e\u207be\u207a)<\/em> o la nucleos\u00edntesis primordial<\/em> (figura 1).<\/p>\n\n\n\n

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Figura 1: Esquema del orden de ocurrencia de algunos procesos interesantes que tuvieron lugar poco despu\u00e9s del Big Bang. Aunque a veces se asume que estos procesos son instant\u00e1neos, en realidad todos los sucesos requieren de un cierto tiempo para completarse. Esto implica, por ejemplo, que el final del desacoplamiento de los neutrinos y el principio de la aniquilaci\u00f3n de pares e\u207be\u207a coincidan moment\u00e1neamente.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

El evento que aqu\u00ed nos interesa, el desacoplamiento de los neutrinos, fue fundamental porque determin\u00f3 la cantidad de radiaci\u00f3n que hubo en el universo primitivo, y con ello la velocidad de expansi\u00f3n cosmol\u00f3gica en aquella \u00e9poca. De haber tenido el Universo una velocidad de expansi\u00f3n diferente, tanto su evoluci\u00f3n como su estructura actual habr\u00edan cambiado irremediablemente.<\/p>\n\n\n\n

La aniquilaci\u00f3n de pares electr\u00f3n-positr\u00f3n<\/a> jug\u00f3 tambi\u00e9n un papel importante a la hora de fijar dicha cantidad de radiaci\u00f3n primitiva, pero este proceso lo explicaremos en una nueva entrada del blog, en la que tambi\u00e9n hablaremos sobre el n\u00famero efectivo de neutrinos.<\/p>\n\n\n\n

Asimismo, el \u00faltimo proceso mencionado en la figura 1, la nucleos\u00edntesis primordial, lo dejaremos pendiente para otra ocasi\u00f3n. Pero que aqu\u00ed juegue un papel de figurante no significa que no sea un fen\u00f3meno de m\u00e1xima importancia, ya que la nucleos\u00edntesis primordial es el proceso que dio lugar a la formaci\u00f3n de los primeros n\u00facleos at\u00f3micos, especialmente los de elementos ligeros como el hidr\u00f3geno y el helio, que posteriormente dar\u00edan lugar a las primeras estrellas.<\/p>\n\n\n\n

El desacopl<\/strong>amiento<\/strong> de los neutrinos<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Para entender en qu\u00e9 consiste el desacoplamiento de los neutrinos, imaginemos el Universo como una inmensa pista de baile llena de gente a rebosar, gente que baila o se desplaza de una punta a otra del local en busca de nuevas parejas con las que moverse al ritmo de la canci\u00f3n c\u00f3smica. Debido a las altas temperaturas, el universo temprano (es decir, el Universo durante los primeros minutos tras el Big Bang) se parece bastante a esta pista de baile, donde conviven mayormente neutrinos, fotones, electrones y positrones.<\/p>\n\n\n\n

La pista est\u00e1 tan llena que es imposible no encontrar pareja, e incluso los bailarines (part\u00edculas) m\u00e1s indecisos, que se desplazan m\u00e1s lento hacia sus acompa\u00f1antes, no consiguen evitar el baile.<\/p>\n\n\n\n

Ahora imaginemos que el suelo de la sala comienza a dilatarse, como un chicle que se estira, al principio poco a poco, pero enseguida a un ritmo m\u00e1s y m\u00e1s r\u00e1pido. Los bailarines descubren de pronto que necesitan recorrer m\u00e1s distancia para encontrarse con sus pr\u00f3ximas parejas, ya que la distancia que los separa crece por momentos conforme la superficie del suelo se expande. Como la expansi\u00f3n de nuestro ejemplo sucede cada vez m\u00e1s deprisa, aquellos bailarines con menor motivaci\u00f3n no llegan a alcanzar nunca a sus nuevos compa\u00f1eros, a los que ven alejarse sin remedio debido a que sus ganas de bailar no los acercan con la suficiente rapidez como para vencer la expansi\u00f3n del suelo. Llegado este punto, podr\u00edamos decir que los bailarines desmotivados se han desacoplado del resto, y se ven obligados a moverse en solitario en una pista que se les queda cada vez m\u00e1s grande.<\/p>\n\n\n\n

La figura 2 muestra un esquema de la expansi\u00f3n del Universo y el consecuente desacoplamiento de una part\u00edcula.<\/p>\n\n\n\n

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Figura 2: Esquema de la expansi\u00f3n del Universo. El tiempo transcurre de izquierda a derecha.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

El tama\u00f1o de los c\u00edrculos de la figura 2 indica el volumen del Universo en distintos instantes, y los diferentes colores muestran dos tipos de part\u00edculas (bailarines, seg\u00fan nuestro ejemplo): en azul aquellas que interact\u00faan (bailan) con dificultad, y en rojo las que lo hacen m\u00e1s f\u00e1cilmente. El tama\u00f1o de las l\u00edneas simboliza la capacidad de interacci\u00f3n de las part\u00edculas, de modo que si dos o m\u00e1s l\u00edneas se cortan, las correspondientes part\u00edculas podr\u00e1n interactuar en alg\u00fan momento.<\/p>\n\n\n\n

Al principio, cuando el Universo es muy joven y su tama\u00f1o es peque\u00f1o (es decir, su temperatura y su densidad son muy altas), tanto las part\u00edculas rojas del dibujo como las azules interact\u00faan (primer c\u00edrculo). Sin embargo, en cuanto la expansi\u00f3n del Universo supera cierto l\u00edmite, vemos que tan solo las l\u00edneas rojas se encuentran (tercer c\u00edrculo). Llegado este momento, las part\u00edculas azules han perdido el contacto con sus compa\u00f1eras de baile y se han desacoplado. N\u00f3tese que el aumento de espacio debido a la expansi\u00f3n ocurre por igual en toda la superficie del c\u00edrculo, de manera que la posici\u00f3n relativa de cada part\u00edcula dentro del mismo no cambia, as\u00ed como tampoco lo hace el tama\u00f1o de las l\u00edneas.<\/p>\n\n\n\n

En el universo real los neutrinos se desplazan, por lo que su posici\u00f3n deber\u00eda cambiar dentro del c\u00edrculo. Por otro lado, el tama\u00f1o de las l\u00edneas tampoco deber\u00eda ser invariable, sino que tendr\u00eda que decrecer conforme disminuye la temperatura del Universo. A efectos pr\u00e1cticos, no obstante, podemos considerar que las part\u00edculas est\u00e1n fijas en el espacio.<\/p>\n\n\n\n

Pese a todo, nuestro ejemplo falla en un par de conceptos clave (pero intencionados) que usaremos para aclarar unos detalles que pueden ser confusos cuando se habla de la expansi\u00f3n del Universo y del desacoplamiento de una part\u00edcula.<\/p>\n\n\n\n

En primer lugar, la velocidad de expansi\u00f3n del Universo <\/em>no aumenta<\/em> durante la \u00e9poca en la que <\/em>transcurre<\/em> el desacopl<\/em>amiento<\/em> de los neutrinos<\/em> (como asumimos que ocurre con el suelo de la pista de baile en el ejemplo), sino que la expansi\u00f3n del verdadero universo decrece poco a poco en esa \u00e9poca. De este modo, cuando alguien dice que el Universo se expande de manera acelerada, o bien se est\u00e1 refiriendo a la \u00e9poca actual, o bien a la hip\u00f3tesis de un per\u00edodo de inflaci\u00f3n que pudo haber tenido lugar antes de que hubiera transcurrido siquiera un segundo despu\u00e9s del Big Bang. Tras ese instante de inflaci\u00f3n, el ritmo de expansi\u00f3n del Universo fue decreciendo hasta tiempos muy recientes, incluyendo la \u00e9poca en la que sucedi\u00f3 el desacoplamiento de los neutrinos.<\/p>\n\n\n\n

En segundo lugar, los neutrinos <\/em>reales <\/em>no son precisamente los bailarines m\u00e1s lentos de la sala<\/em> (como asumimos en nuestro ejemplo), sino que se desplazan a velocidades cercanas a la de la luz durante todo el lapso de tiempo que dura su desacoplamiento.<\/p>\n\n\n\n

En realidad, lo que determina que un neutrino interact\u00fae (baile) con otra part\u00edcula no es la velocidad a la que se mueve, sino su energ\u00eda y el tipo de interacci\u00f3n que comparte<\/strong>. Los neutrinos interact\u00faan mediante la fuerza nuclear d\u00e9bil<\/em>, que en nuestro ejemplo viene a decirnos que son los bailarines m\u00e1s ap\u00e1ticos de la fiesta. S\u00ed, es cierto que avanzan muy r\u00e1pido, pero rara vez se paran a entablar conversaci\u00f3n y menos a\u00fan a bailar con quien se cruza en su camino. Adem\u00e1s, si bien hemos desvelado que la pista se dilata a un ritmo cada vez menor, no deja de expandirse, y conforme lo hace disminuye la energ\u00eda de los neutrinos, cuya apat\u00eda aumenta a un ritmo a\u00fan m\u00e1s alto de lo que se frena la expansi\u00f3n de la sala.<\/p>\n\n\n\n

Y este es precisamente el motivo por el que se produce el desacoplamiento de los neutrinos. No se trata de que el universo temprano (la pista de baile del ejemplo) se expanda a un ritmo acelerado. Lo importante es que llega un momento en el que dicha expansi\u00f3n sucede a un ritmo superior (a pesar de estar disminuyendo) que la frecuencia con la que los neutrinos interact\u00faan con otra part\u00edcula, lo que provoca que sus interacciones sean cada vez menos frecuentes, hasta el punto de llegar a ser efectivamente inexistentes. Esto provoca el mismo efecto que se tendr\u00eda si la pista de baile (el Universo) se expandiera cada vez m\u00e1s r\u00e1pido.<\/p>\n\n\n\n

En definitiva, el desacopl<\/strong>amiento<\/strong> de los neutrinos<\/strong> es el proceso por el cual los neutrinos primordiales, aquellos que existieron cuando el Universo era muy joven, perdieron el contacto con las dem\u00e1s part\u00edculas del plasma c\u00f3smico en el conviv\u00edan. Esto se debe a la expansi\u00f3n del Universo, que diluy\u00f3 la energ\u00eda promedio de los neutrinos (y con ello su capacidad de interactuar, que depende de su energ\u00eda) a un ritmo mayor que el de frenado de la propia expansi\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n

A d\u00eda de hoy, dichos neutrinos siguen a nuestro alrededor. De hecho, se los conoce como neutrinos reliquia<\/em> por ser los m\u00e1s antiguos del Universo, ya que son apenas unos segundos m\u00e1s j\u00f3venes que el Big Bang. Pero su capacidad de interacci\u00f3n se ha visto mermada hasta tal punto que ni con la ayuda de la tecnolog\u00eda m\u00e1s puntera somos capaces de capturarlos. Aunque sabemos que est\u00e1n ah\u00ed por c\u00f3mo ha afectado su presencia a la evoluci\u00f3n del Universo, su detecci\u00f3n directa sigue siendo una asignatura pendiente.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Los instantes iniciales tras el Big Bang estuvieron llenos de eventos decisivos para la evoluci\u00f3n posterior del Universo. Entre ellos, el desacoplamiento de los neutrinos.<\/p>\n","protected":false},"author":8,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":[],"categories":[14,6],"tags":[36,24,61],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/341"}],"collection":[{"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/users\/8"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=341"}],"version-history":[{"count":5,"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/341\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":351,"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/341\/revisions\/351"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=341"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=341"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/bloggy.ific.uv.es\/bloggy\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=341"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}