El campo de Higgs, la inflación cósmica y los modos B primordiales

Por Francisco R. Villatoro, el 20 julio, 2016. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Planck • Science ✎ 6

Dibujo20160720 Constraints in the r vs ns plane when using Planck BICEP2 Keck data

La inflación cósmica recibirá un Premio Nobel de Física cuando se observen los modos B primordiales en la polarización del fondo cósmico de microondas. El mejor límite actual es r < 0,07 al 95% CL obtenido por BICEP2/Keck Array 2016 combinado con Planck 2015 (en un par de años BICEP3 alcanzará r < 0,03). Un nuevo artículo estima que r < 0,002 si durante la inflación actúa algún mecanismo que estabilice el campo de Higgs. Ningún telescopio de modos B, terrestre o espacial, explorará valores tan bajos de r antes de 2030 (por ejemplo, Core+ de la ESA no será lanzado al espacio antes de 2028).

Como bien sabes el campo de Higgs es metaestable, luego nuestro universo también lo es. Debe existir algún mecanismo físico que estabilice dicho campo a alta energía. Hay muchas propuestas. Algunas de ellas implican que el campo de Higgs ya era estable durante la inflación cósmica. En dicho caso, el nuevo trabajo nos propone un límite experimental muy estricto para los modos B primordiales. Se aleja la esperanza de los amantes de la inflación cósmica de que Guth (69), Linde (68) y Starobinsky (68) reciban el codiciado galardón sueco en los próximos lustros.

El nuevo artículo es William E. East, John Kearney, …, Kathryn M. Zurek, “Spacetime Dynamics of a Higgs Vacuum Instability During Inflation,” arXiv:1607.00381 [hep-ph]. El mejor límite a los modos B primordiales se publicó en Keck Array, BICEP2 Collaborations, “BICEP2 / Keck Array VI: Improved Constraints On Cosmology and Foregrounds When Adding 95 GHz Data From Keck Array,” Phys. Rev. Lett. 116: 031302 (2016), doi: 10.1103/PhysRevLett.116.031302arXiv:1510.09217 [astro-ph.CO].

Dibujo20160720 Limits on Higgs mass top quark inflatoin tensor-to-scalar ratio r
Esta figura resume el resultado obtenido. En el eje horizontal tenemos la masa del Higgs (~125 GeV), el eje vertical la masa del quark top (~172 GeV) y las líneas en diagonal corresponden a los valores de r y H, donde H es la escala de energía asociada a las fluctuaciones del campo de Higgs, δh ∼ H/2π, debidas a la densidad de energía del campo inflatón. La elipse está centrada en mh= 125,09 ± 0,24 GeV y mt= 172,44 ± 0,70 GeV, mostrando los intervalos actuales a una, dos y tres sigmas. Un valor de r=0,002 se encuentra en la zona estable (verde) a lo largo de la línea en azul marcada con H = 1014 GeV; las masas del Higgs y del quark top están a unas dos sigmas de dicho valor. Por tanto, al 95% CL se puede afirmar que la metaestabilidad del Higgs según los datos actuales implica que H < 1014 GeV y que r<0,002.

Por supuesto, cuando se afirma que el campo de Higgs es metaestable hay que tener cuidado. Los datos actuales descartan que sea estable a unas dos sigma (depende del cálculo concreto que se realice, pero pocos llegan a tres sigmas). Parece que no es estable, pero podría serlo, en cuyo caso el valor de r > 0,002. Aún así, por ahora, la mejor estimación indica que no lo es, aunque su una vida media es muy superior a la edad actual del universo. Luego no tenemos que preocuparnos porque se vuelva inestable en los próximos miles de millones de años.

Dibujo20160720 The bounds on the ratio H-to-LambdaMax as a function of beta function near the maximum

No quiero entrar en detalles sobre el cálculo presentado en el nuevo artículo (que generará muchas dudas a muchos físicos). La idea es que el campo de Higgs y el inflatón están acoplados, por lo que la densidad de energía del campo inflatón durante la inflación cósmica puede ser tan grande que provoque la inestabilidad del Higgs. En su caso, las consecuencias serían muy graves si el valor de H provoca que el campo de Higgs explore la región inestable de su potencial. Un resultado catastrófico para todo el universo en aquella época y como resultado para nuestro universo actual (que no existiría como es ahora).

Con esta idea en la mano se obtiene un límite superior para el cociente r entre la energía transferida por la inflación al espaciotiempo y la transferida al resto de los campos, el llamado cociente tensor/escalar (tensor-to-scalar ratio). El cálculo presentado en el nuevo artículo indica que un valor r > 0,002 es incompatible con escalas inflacionarias de H > 1013 GeV. Si se confirman estas estimaciones, la observación de los modos B primordiales podría ser asunto de la segunda mitad del siglo XXI, como pronto.

Por supuesto, hay muchos retruques (loopholes) a los argumentos del nuevo artículo. El más importante es que supone que no hay física más allá del modelo estándar, salvo el campo inflatón. Si existiera tanto los cálculos actuales de la estabilidad del campo de Higgs como las estimaciones del valor de r para los modos B cambiarían (quizás a favor, o quizás a peor). Lo importante es que aún no debemos perder la esperanza de que el valor de r sea observable en el próximo lustro, aunque el nuevo artículo apunte a que habrá que esperar un par de décadas.



6 Comentarios

  1. Personalmente, sería mucho más interesante no encontrar esos modos o no de la forma en que dicen los modelos actuales. Sin embargo, nadie ha dado con algo mejor para explicar tantas cosas sinsentido como hace la teoría de la inflación.
    Si se da un Nobel por la inflación, está claro que debería ser para Guth, el equipo que la descubra, y…¿quien sería el tercero en discordia? ¿Linde?¿ Vilenkin? La inflación también abre el camino para el multiverso…

    1. ¿Nueva chica? ¿Qué diferencias tiene con la inflación? ¿Qué ventajas e inconvenientes respecto a la chica tradicional? Just joking…
      He leido y estudiado poco los Big Bounce models…Aún me parecen algo primitivos…No explican en mi opinión todo lo que hace (hasta donde yo sé, que insisto es poco) la inflación…Tal vez pueda ser competitiva en el futuro pero no aún…Eso sí, si tiene una predicción de tipo no inflacionaria…Y se confirmara, …Sería otro cantar…Sin embargo, los datos de PLANCK dejaron muerto a los resultados iniciales de BICEP, con un parámetro r demasiado alto para los modelos inflacionarios “normales”…Dado que lo comento, ¿qué predicen los Big Bounce respecto a r?

  2. Sinceramente, no me malinterpretéis,…Tanto la inflación como el Big Bounce aún son hipótesis, si bien convertidas en teorías o ideas complementarias a ciertos modelos teóricos. Inflación parece más “amigable” con cuerdas, mientras que Big Bounce, al menos hasta donde yo recuerdo (y no es mucho), siempre se ha llevado mejor con LQG…Sin embargo, resolver cuestiones de este tipo lleva invariablemente a la necesidad de observar y decidir entre observaciones. Dada nuestra incapacidad para sondear escalas de energías inflacionarias o bouncianas, creo que tardaremos en encontrar observaciones que decidan, si es que pueden. Porque ciertamente, si ambas pueden ajustar datos con diferentes r, la cuestión de su realidad deberá decidirse por varios métodos y observaciones.

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