Candidatures exòtiques de la massa perduda

1988/02/01 Arregi Bengoa, Jesus Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Astrofisika

En l'últim número vam fer una referència a diverses fraccions com a exemple d'aquestes formes peculiars de la matèria. Però encara que en parlar de fraccions hem de tenir en compte totes les objeccions de la mecànica quàntica, sempre podem aconseguir una certa expressió. Els ens que tractarem de descriure són de naturalesa totalment diferent: tenim monopols magnètics. L'anàlisi de la generació d'aquests errors ens porta, a més, als primers temps del mateix Univers. Es creu que els errors van començar a formar-se entre 10 i 35 segons després de l'explosió big-bang.

Per a començar a treballar hem de definir una mica el concepte de buit. En parlar de buit no hem d'imaginar de res l'ideal. En el camp de la quàntica la descripció és bastant complicada perquè el principi d'incertesa d'Heisenberg permet que el buit tingui una estructura pròpia. Segons una versió d'aquest principi, en l'estudi d'un fenomen no és possible determinar amb precisió el moment en què s'ha produït i el balanç energètic. Més concretament, el producte de la incertesa del valor del balanç energètic per la incertesa del moment no pot ser major que la constant de Planck.

Si la durada del fenomen és molt curta, la incertesa energètica és elevada. Per tant, considerant períodes curts, el buit mecano-quàntic pot contenir energia. Aquesta energia, per exemple, pot formar parelles d'anti-fracció. És més, les teories fraccionàries actuals prediuen l'existència de les anomenades àrees d'Higgs. Aquests camps es refereixen al buit, és a dir, formen part de l'estructura del buit i depenent dels seus valors el buit pot adoptar diferents situacions d'energia, com el buit real i el buit fals que utilitzarem en les nostres explicacions.

Per a comprendre bé què són els errors topològics, necessitem també alguns principis sobre el camí que han pres les teories de les fraccions en l'actualitat. Els últims passos donats per al desenvolupament d'aquestes teories s'han centrat en el camp de les teories de conciliació. La idea principal és que les tres forces que abans eren diferents (electromagnètica, interacció feble i interacció violenta) s'uneixen en una sola força o interacció. El mecanisme de consolidació és la relació obtinguda per simetria. És a dir, quan l'Univers es troba en una fase simètrica aquestes tres forces s'uneixen en una sola, i quan aquesta simetria es trenca apareixen diferències entre les tres.

Per a una millor comprensió, posarem un exemple de mecànica com a comparació. Si en el recipient cilíndric tenim un likidio, la distribució de les molècules ens semblarà la mateixa malgrat girar el recipient. Per tant, aquest líquid serà descrit mitjançant una llei simètrica. Però si el líquid es refreda fins a cristal·litzar, els àtoms s'ordenen per eixos cristalográficos i es perd simetria.

Alguna cosa semblança es té amb les teories de convergència de les fraccions: la ruptura de la simetria es deu a la temperatura i a les àrees d'Higgs. Mentre la temperatura supera els 10 27 K, els valors de tots dos camps d'Higgs són nuls (això no significa que no existeixin, sinó que el valor d'equilibri de les fluctuacions quàntiques és zero) i estem en un estat simètric. Per sota d'aquesta temperatura crítica, almenys una de les zones d'Higgs és no nul·la i les forces se separen.

Si el canvi de fase es produeix d'aquesta manera no caldria dir una altra cosa, però els càlculs de les teories de consolidació depenen de molts paràmetres arbitraris i per a alguns dels seus valors lògics s'aconsegueix una situació especial. La raó radica en la diferència entre la velocitat de refredament de la matèria que generen aquests valors i les velocitats de transició entre fases. El primer seria molt més gran i per tant la temperatura baixaria molt per sota del límit 10 27 K, sent els valors de les zones d'Higgs encara nuls, és a dir, sense trencar la fase simètrica.

Aquest fenomen és, en definitiva, un d'aquests fenòmens de sobreescalfament tan coneguts. Per exemple, es pot aconseguir que l'aigua es refredi fins a -20 °C sense solidificar-se, és a dir, sense que es produeixi una transició de la fase líquida al sòlid. En les condicions que hem esmentat, l'error implicaria una situació molt especial: el que hem denominat fals. Això és molt més energètic que el buit real. Per això, tendeix a evolucionar de la seva situació a la real. Amb això es modifica la fase. Els errors topològics van sorgir al final d'aquest procés i durant el canvi de fase l'Univers va sofrir una enorme expansió.

Com s'ha comentat al principi, la transició de fase va començar en els 10 –35” següents a la creació de l'Univers, amb una durada de 10 –32” i un augment del diàmetre de l'Univers d'aproximadament 10 50 vegades.

Ara veurem com es van formar els errors. No cal dir que en les diferents regions espacials la transició es va produir de diferents maneres: A causa de la bogeria de les fluctuacions caunticas que no faran zero els valors dels camps d'Higgs, els valors que prenen els camps d'Higgs són diferents en les diferents regions i segons ells tenim diferents fases de simetria trencada.

Reprenent l'analogia de l'aigua a congelar, podríem dir que quan l'aigua es congela forma una xarxa cristal·lina, però si la quantitat d'aigua és molt gran, l'orientació dels eixos cristalográficos serà diferent en les diferents regions. De la mateixa manera, en passar de l'error fals al veritable es produeixen errors en els límits de les diferents zones. Per a definir-ho d'alguna manera, els errors topològics són zones que conserven formes energètiques de buit. Segons les seves dimensions poden ser monopols magnètics puntuals, cordes unidimensionals i parets de dues dimensions.

Quant al problema de la massa perduda, els dos primers són els que ens interessen. Els monopols magnètics són imants d'un sol pol o éssers amb càrrega magnètica. Les càrregues elèctriques que coneixem es comportarien de manera inversa, creant camps magnètics en la parada i els camps elèctrics en començar a moure's. Quant a l'atracció que podien tenir per a la matèria fosca, hem de saber que la seva massa és 10 16 vegades major que la del protó, en absolut molt gran.

Les cordes són defectes unidimensionals. El seu diàmetre seria de 10-30 cm. Quant a la seva longitud, poden ser infinites i obertes o en anell. Quant a la massa la seva densitat seria enorme, 10 22 g/cm aproximadament. D'altra banda, es dóna especial importància a les cordes, ja que d'existir influirien molt en la distribució de masses en els primers temps de l'Univers. L'anàlisi d'aquest punt ajudaria a resoldre un problema que es discuteix des de fa temps. Quins van sorgir primer? Galàxies per a després reunir-se en cúmuls i supercúmulos, o supercúmulos per a després dividir-los en cúmuls i galàxies?

Per a acabar direm que les cordes còsmiques no han de confondre's amb les cordes i supercuerdas que es defineixen en les teories supersimétricas de les fraccions. Aquestes són una nova manera d'entendre les fraccions.