Escenarios de ruptura de la supercarga podrían explicar la asimetría de bariones en el universo

21 de febrero de 2025

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

El Modelo Estándar (SM), el principal marco de física que describe partículas elementales y las fuerzas que las impulsan, describe patrones clave en las interacciones físicas conocidas como simetrías de calibre. Una de las simetrías que describe es la llamada hiper carga U(1)Y: una simetría de calibre que contribuye a la carga eléctrica de las partículas antes de que las fuerzas electromagnéticas y débiles se vuelvan distintas (es decir, antes de la transición de fase electrodébil).

Investigadores del Departamento de Física Teórica (DFT) e Instituto de Física Teórica (IFT) de la Universidad Autónoma de Madrid llevaron a cabo recientemente un estudio investigando cómo las condiciones presentes en el universo temprano podrían provocar la ruptura espontánea de esta simetría de calibre, vinculando este fenómeno a ciertos modelos de generación de masa de neutrinos conocidos como modelos de masa de neutrinos radiativos. Su artículo, publicado en Physical Review Letters, se basa específicamente en un marco teórico llamado modelo Zee-Babu, una extensión del SM que explica la generación de masa de neutrinos.

'En el SM, la simetría de calibre electrodébil espontáneamente rota, que gobierna las interacciones electromagnéticas y débiles de la naturaleza, fue restaurada en los primeros instantes del universo, cuando la temperatura del universo era mayor que la escala de energía electrodébil', expresaron Prof. Jose Miguel No, Luca Merlo, Alvaro Lozano-Onrubia y Sergio López-Zurdo a Phys.org.

‘En los últimos años, uno de nosotros (Prof. No) ha estado explorando la posibilidad de que esta simetría podría haber permanecido rota en el universo temprano, ya que esto podría tener importantes implicaciones para el origen de la asimetría primordial entre materia y antimateria (la llamada "asimetría de bariones del universo"). Sin embargo, era muy difícil encontrar extensiones del SM que presentaran dicho efecto’, agregaron.

Mientras asistía a un taller de física teórica en Múnich, el Prof. No comenzó a discutir la fenomenología de algunos modelos de física de partículas que generan masas para los neutrinos del SM con el Prof. Kaladi Babu de la Universidad Estatal de Oklahoma. El Prof. Babu, un experto mundial en estos marcos, conocidos como modelos de masa de neutrinos radiativos, ofreció valiosos conocimientos que allanaron el camino para el estudio presente del equipo.

‘Esta conversación llevó a la realización de que tales modelos tenían los ingredientes necesarios para mantener la simetría de calibre de hiper carga—una de las dos simetrías que comprenden la simetría de calibre electrodébil—rota a muy altas temperaturas’, dijeron los investigadores.

‘De regreso en el IFT en Madrid, todos nos sentamos juntos y confirmamos que estos modelos de masa de neutrinos podrían presentar la ruptura de la hiper carga en el universo temprano, ofreciendo potencialmente una nueva perspectiva sobre la conexión entre las masas de neutrinos y la asimetría de bariones’.

El SM tiene un sector escalar simple que solo contiene el campo de Higgs responsable de generar la masa de partículas masivas descritas por el modelo. Este sector escalar simple sugiere que el universo tuvo una historia térmica bastante básica, con simetrías de calibre del SM siendo exactas a altas temperaturas. Sin embargo, la simetría electrodébil se rompe espontáneamente a bajas temperaturas, un fenómeno que está bien establecido experimentalmente.

‘En ciertas extensiones del SM con un sector escalar más rico, la historia térmica del universo habría sido más complicada/sofisticada’, explicaron No, Merlo, Lozano-Onrubia y López-Zurdo. ‘En particular, mostramos que en extensiones donde este sector escalar más rico está vinculado a la generación de masas de neutrinos, la simetría de calibre de hiper carga del SM puede ser rota a altas temperaturas, mientras que en el SM no lo es’.

Los investigadores demostraron que la ruptura de la simetría de hiper carga en el universo temprano podría explicar el desequilibrio observado entre materia y antimateria en el universo, lo que se conoce como el problema de asimetría de bariones. En su artículo, No, Merlo, Lozano-Onrubia y López-Zurdo esbozan un mecanismo no convencional que podría haber contribuido a la formación del universo dominado por la materia de hoy.

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‘En primer lugar, nuestro estudio destaca la relevancia de considerar las contribuciones cuánticas en estos análisis, ya que nuestros resultados dependen crucialmente de incluirlos adecuadamente’, expresaron los investigadores.

'Hemos demostrado que los modelos de física de partículas con un sector escalar no mínimo son escenarios muy prometedores para explicar simultáneamente varios de los problemas no resueltos del Modelo Estándar, en nuestro caso, el origen de las masas de neutrinos y la generación de la asimetría de bariones del universo.'

El trabajo reciente realizado por este equipo de investigación podría abrir próximamente interesantes posibilidades para el estudio de la física de neutrinos y los orígenes de la materia. En el futuro, podría contribuir al desarrollo de modelos alternativos del universo que ofrezcan mejores explicaciones para su asimetría materia-antimateria.

'Al mismo tiempo, nuestro trabajo allana el camino para nuevas formas alternativas de explicar el origen de la asimetría de bariones del universo que eventualmente lleva a nuestra propia existencia,' dijeron los investigadores.

Los análisis recientes realizados por No, Merlo, Lozano-Onrubia y López-Zurdo se aplican específicamente a un marco teórico específico de generación de masas de neutrinos conocido como el modelo Zee-Babu. Como parte de su investigación actual, los investigadores están tratando de determinar si sus resultados solo se aplican a este modelo o podrían extenderse a un rango más amplio de teorías que describen sectores escalares ricos.

'Además, este fenómeno de 'ruptura inversa de simetría' (en el que una cierta simetría, que se pensaría que es exacta en el universo temprano, de hecho se rompió entonces) podría proporcionar una solución a otros problemas del Modelo Estándar, como el problema de 'CP fuerte' —por qué las interacciones fuertes parecen conservar la simetría CP discreta,' añadieron los investigadores. 'Esta es una posibilidad que estamos explorando en un análisis más detallado que estamos llevando a cabo.'

Más información: S. López-Zurdo et al, Early Universe Hypercharge Breaking and Neutrino Mass Generation, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.041802.

Información del diario: Física Letters

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