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La energía Oscura I: Introducción

diciembre 30, 2013

El día de los inocentes, Francis publicaba una entrada dónde se anunciaba una señal a tres sigmas de un fotón oscuro. BaBar observa a 3 sigmas la primera señal de un fotón oscuro con 8,93 GeV. Siendo el día que es la primera respuesta se toma la entrada cómo una broma, pero el caso es que si uno va al pdf que vincula francis Search for low-mass Higgs and dark boson @BaBar,” High Energy Physics in the LHC Era, 5° International Workshop, Dec. 2013 . Leer diapositivas de una charla de experimentales es una pequeña tortura para un teórico nato cómo yo, pero me parece entender que ahí dicen que no han encontrado nada a un nivel significativo. Claro que Francis dice que han encontrado algo a 3 sigmas, lo cuál es no significativo.

En todo caso me viene de perlas esa entrada porque quería escribir hace un tiempo una entrada propia sobre el tema de la energía oscura. Para la exposición del tema voy a seguir el libro de Wang, Dark Energy.

Lo primero, por si a estas alturas hay algún despistado que lo desconozca, es aclarar que es esto de la energía oscura. A finales de los 90 en un estudio sobre la expansión del universo se comprobó que en vez de expandirse de manera cada vez mas lenta, según predecía el modelo de FRW (Friedman-Robertson-Walker), resulta que la expansión era cada vez mas rápida. Como genérico para referirse a lo que quiere que provoque esa expansión se puede usar el término de “energía oscura”, aunque otra gente prefiere reservar esa denominación para cierto tipo concreto de explicaciones.

Para explicar la energía oscura hay diversas aproximaciones. Unas pasan por suponer la presencia de algún tipo de campo cuántico, de tipo bosón escalar, cuya dinámica es la responsable de la expansión, estos son los que, estrictamente, se conocen como modelos de energía oscura. Los mas conocidos son la quintaesencia, el campo fantasma (phantom field) y el gas de Chaplyigin (todos ellos con inspiracióin en teoria de cuerdas).

Otras consisten en modificaciones de la gravedad, entre estas tenemos las gravedades f(R), en las que al término básico del lagrangiano de Einstein se le añaden potencias del tensor de Ricci R, términos que surgen de manera natural en teoria de cuerdas cómo perturbaciones al término sencillo. Luego tenemos el modelo de DGP (Dvalli, Gabadanze y Porrati), que parte de un escenario de cuerdas tipo Braneworld. Otra opción es el modelo de Cardassian, que modifica las ecuaciones de Friedman. Estos son los modelos que aparecen mencionados en el libro de Wang, aparte tenemos los modelos de f(T) dónde se modifica la gravedad añadiendo términos que dependen de la torsión.

Y luego, por supuesto, el modelo mas aceptado, el de la constante cosmológica, la energía del vacío. Voy a hacer una breve exposición que no sigue las líneas del texto de Wang sino que está sacada de algunos artículos de review sobre el tema. Es el mas aceptado por varios motivos. Uno de ellos es que ese es un problema que ya existía antes del descubrimiento experimental de la expansión acelerada del universo. Sí uno calcula la energía del vacío de una teoría cuántica se encuentra con que el valor que sale es muy alto, cincuenta y tantas veces mayor que el que tendría la constante cosmológica si lo usamos para explicar esta expansión. Antes de la observación del universo acelerado la idea mas habitual al respecto es que debería haber algo que ajustase a 0 esa constante, algún tipo de simetría. Las teorías supersimeétricas, por ejemplo, tienen constante cosmológica 0 pues los modos fermiónicos se cancelan con los bosónicos. El problema es que cuando se rompe la supersimetría se genera una constante cosmológica. Si la supersimetria es local (e incluye la gravedad, es decir, tenemos una teoria de supergravedad) la consante cosmológica puede tomar un valor negativo aparte de uno positivo. En todo caso, lo normal, es que tome un valor grande. Para evitar eso Weinberg ideó un mecanismo que permitía, vía la existencia de multiples universos, cada uno saliendo del otro por saltos cuánticos en la energía de vacío, una constante cosmológica pequeña. Nosotros vivíríamos en uno de esos universos porque sólo en esos universos puede haber vida. Ese es el principio antrópico y la teoría del multiverso (bueno, parte de ella). La verdad es que antes del descubrimiento experimental de la expansión del universo no había una preocupación muy seria (o al menos urgente) sobre el tema de esta energía del vacío y si bien chocaba bastante el tema se pensaba que sencillamente no se entendía bien el asunto de la energía del vacío, o que había una simetría rara que dejaba el valor en 0. Sólo a raíz de esta “dark energy” se tomó el asunto en serio, y de ahí surgieron diversos trabajos que llevaron al landscape de la teoria de cuerdas.

Según vaya teniendo tiempo iré poniendo detalles matemáticos de estas diversas teorías, pero por ahora lo dejo aquí.

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