Leptogenesis and Planck-scale black hole remnants in a Pati-Salam cosmology

El universo está lleno de dos grandes misterios que la física moderna aún no ha logrado resolver. El primero es por qué hay más materia que antimateria. En los primeros instantes tras el Big Bang, la materia y la antimateria deberían haberse creado en cantidades iguales, solo para aniquilarse mutuamente y dejar atrás un mar de luz pura. Sin embargo, existimos. Algo inclinó la balanza, creando un pequeño excedente de materia que eventualmente formó estrellas, planetas y a nosotros. El segundo misterio es la materia oscura. Los astrónomos saben que aproximadamente una cuarta parte del universo está compuesta por una sustancia invisible que mantiene unidas a las galaxias, pero nadie ha visto jamás una partícula de ella ni sabe de qué está hecha. Durante décadas, los científicos han intentado explicar estos dos enigmas por separado, proponiendo a menudo nuevas partículas o fuerzas complejas. Un estudio reciente, sin embargo, sugiere que la respuesta a ambos podría residir en el mismo objeto extraño y diminuto: un agujero negro primordial.

Estos no son los masivos agujeros negros que se encuentran en los centros de las galaxias, los cuales se forman a partir del colapso de estrellas. En su lugar, son agujeros negros microscópicos que podrían haberse formado en la primera fracción de segundo después del Big Bang, creados por fluctuaciones en la densidad del universo temprano. Si existen, serían increíblemente pequeños, algunos pesando menos de un gramo, y se estarían evaporando en este preciso momento, liberando energía en un proceso conocido como radiación de Hawking. Un equipo de investigadores ha construido un nuevo modelo que muestra cómo estos diminutos agujeros negros podrían haber actuado como fábricas cósmicas, produciendo las partículas pesadas necesarias para crear nuestro universo dominado por la materia, mientras simultáneamente dejaban tras de sí un residuo estable que constituye la materia oscura que vemos hoy.

Los investigadores trabajaron dentro de un marco teórico específico llamado el modelo Pati–Salam. Esta es una forma de organizar las partículas fundamentales de la naturaleza que trata al neutrino de mano derecha —un primo pesado e invisible del neutrino familiar— como una parte necesaria de la estructura del universo en lugar de un complemento opcional. En este modelo, la existencia de estos neutrinos pesados está ligada a una escala de energía específica donde las fuerzas de la naturaleza se separan. El equipo se planteó una pregunta simple pero difícil: ¿podría la evaporación de los agujeros negros primordiales proporcionar los neutrinos pesados necesarios para generar el desequilibrio materia-antimateria, y podrían los propios agujeros negros dejar tras de sí un remanente que sirva como materia oscura?

Para responder a esto, simularon el ciclo de vida de estos agujeros negros. Comenzaron con un universo donde las fuerzas ya se habían separado antes de que comenzara la rápida expansión de la inflación, asegurando que los peligrosos monopolos magnéticos fueran diluidos. Luego introdujeron una población de agujros negros primordiales con un rango específico de masas. A medida que estos agujeros negros se evaporaban, expulsaban partículas. Si los agujeros negros eran lo suficientemente calientes, emitirían los neutrinos pesados. Estos neutrinos se desintegrarían de una manera que crearía un ligero exceso de materia sobre la antimateria. Este exceso se convertiría eventualmente en los bariones —los protones y neutrones— que componen toda la materia visible.

El estudio encontró que este proceso funciona, pero solo bajo condiciones muy específicas. Los investigadores descubrieron una división tajante basada en la masa de los agujeros negros. Si los agujeros negros eran muy ligeros, pesando alrededor de cien gramos o menos, serían lo suficientemente calientes como para emitir los neutrinos pesados directamente. Esto crearía una fuente "no térmica" de materia, generando la asimetría bariónica sin necesidad de que el universo fuera extremadamente caliente. Sin embargo, este escenario choca con un muro al considerar la materia oscura. Si estos agujeros negros ligeros se evaporan por completo, no dejan nada tras de sí. Pero si la gravedad cuántica detiene su evaporación justo antes de que desaparezcan, dejando un "remanente" diminuto y estable, las matemáticas fallan. El estudio muestra que si los agujeros negros son lo suficientemente ligeros como para crear la asimetría de la materia de esta manera, los remanentes sobrantes serían tan numerosos que sobrellenarían el universo con materia oscura, excediendo con creces lo que observamos. En este escenario específico, los dos objetivos —crear la cantidad adecuada de materia y la cantidad adecuada de materia oscura— no pueden lograrse al mismo tiempo.

La solución, según hallaron los autores, reside en agujeros negros ligeramente más pesados. Si los agujeros negros primordiales pesan alrededor de un millón de gramos, son más fríos y no pueden emitir los neutrinos pesados de manera eficiente por sí solos. En su lugar, los neutrinos pesados son producidos por el plasma caliente del universo temprano. Los agujeros negros desempeñan entonces un papel diferente: se evaporan y vierten una enorme cantidad de entropía, o desorden, en el universo. Este proceso diluye la asimetría de la materia que ya había sido creada, pero no la destruye. Crucialmente, cuando estos agujeros negros más pesados finalmente se evaporan, dejan tras de sí un remanente estable. Debido a que los agujeros negros son más pesados, la cantidad de remanentes que dejan es mucho menor. El estudio calcula que para agujeros negros con una masa inicial de aproximadamente un millón de gramos, el número de remanentes restantes coincide perfectamente con la cantidad observada de materia oscura en el universo.

Este único valor de masa de aproximadamente un millón de gramos actúa como un punto ideal. Es lo suficientemente pesado como para que los remanentes no sobrepoblen el universo, pero lo suficientemente ligero como para que los agujeros negros se evaporen lo suficientemente pronto como para permitir que la asimetría de la materia sea procesada por los mecanismos naturales del universo antes de que las fuerzas de la naturaleza se congelen. Los investigadores también señalaron que este escenario deja una huella distintiva. La distribución aleatoria de estos agujeros negros en el universo temprano habría creado ondulaciones en el espacio-tiempo, generando un zumbido de fondo de ondas gravitacionales. Estas ondas tendrían una frecuencia que futuros detectores, como el Telescopio Einstein, podrían ser capaces de escuchar. Además, la emisión directa de gravitones durante los momentos finales de los agujeros negros contribuiría a la densidad de radiación del universo, una cantidad que futuros experimentos del fondo cósmico de microondas podrían medir con alta precisión.

El artículo concluye que, si bien la idea de utilizar agujeros negros para resolver tanto el enigma de la materia como el de la materia oscura es convincente, no es una solución universal. Descarta la posibilidad de que los agujeros negros más ligeros puedan hacer el trabajo por sí solos. En su lugar, apunta a una ventana específica y estrecha de masas de agujeros negros donde el universo podría haber sido ajustado para producir exactamente lo que vemos hoy. El modelo depende del supuesto de que la gravedad cuántica detiene la evaporación de los agujeros negros en la escala de Planck, dejando tras de sí remanentes estables. Si este supuesto se mantiene, entonces la existencia de la materia oscura y el origen de nuestro universo lleno de materia son dos caras de la misma moneda, forjadas en la evaporación de una población específica de agujeros negros primordiales. Los hallazgos sugieren que la próxima generación de experimentos de ondas gravitacionales y del fondo cósmico podría confirmar esta elegante conexión o forzarnos a buscar una explicación diferente para el lado oscuro del cosmos.