¿Cuál es la relación entre la física de partículas y la cosmología?

Existe una relación íntima entre los campos de la física de partículas y la cosmología, que ha sido ejemplificado por una larga línea de físicos que trabajan en ambos simultáneamente: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne y muchos otros. La cosmología es el estudio del universo y su estructura, mientras que la física de partículas es el estudio de partículas fundamentales como los quarks y los fotones, los objetos más pequeños conocidos. Aunque al principio pueden parecer tan desconectados como cualquier cosa, la cosmología y la física de partículas están de hecho estrechamente vinculadas.

A diferencia de los sistemas complejos en la Tierra, que se describen con explicaciones de alto nivel en lugar de propiedades que emergen de los niveles más bajos, los fenómenos intergalácticos y cosmológicos son comparativamente más simples. Por ejemplo, en las vastas distancias del espacio, solo una de las cuatro fuerzas de la naturaleza tiene alguna influencia real: la gravedad. Aunque las estrellas y las galaxias están muy lejos y son muchas veces más grandes que nosotros, tenemos una imagen notablemente precisa de cómo funcionan, derivadas de las leyes físicas fundamentales que dirigen sus partículas constituyentes.

El dominio de la cosmología más estrechamente relacionado con la física de partículas es el estudio del Big Bang, la explosión gigantesca que creó toda la materia en el universo y el espacio-tiempo del que está compuesto el universo mismo. El Big Bang comenzó como un punto de densidad casi infinita y volumen cero: una singularidad. Luego, se expandió rápidamente al tamaño de un núcleo atómico, que es donde entra en juego la física de partículas. Para comprender cómo los primeros momentos del Big Bang influyeron en el universo tal como es hoy, debemos usar lo que sabemos sobre física de partículas para crear modelos cosmológicos plausibles.

Una de las motivaciones para crear aceleradores de partículas cada vez más potentes es realizar experimentos que simulen las circunstancias físicas lo antes posible en la historia del universo, cuando todo era muy compacto y caliente. Los cosmólogos deben estar bien versados ​​en física de partículas para hacer contribuciones significativas al campo.

Otra clave para comprender la relación entre la física de partículas y la cosmología es mirar el estudio de los agujeros negros. Las propiedades físicas de los agujeros negros son relevantes para el futuro a largo plazo del cosmos. Los agujeros negros son estrellas colapsadas con una gravedad tan inmensa que ni siquiera la luz puede escapar de su alcance. Durante un tiempo, se pensó que los agujeros negros no emitían radiación, y habría sido eterno, una paradoja para los físicos. Pero Stephen Hawking teorizó, basándose en las ideas de la física de partículas, que los agujeros negros emiten radiación, que posteriormente se denominó radiación de Hawking.

La física de partículas también es muy relevante en las investigaciones de materia oscura, materia invisible cuya existencia se conoce debido a su influencia gravitacional en la materia visible y energía oscura, una fuerza misteriosa que impregna el universo y acelera su expansión. Estas son preguntas centrales en la cosmología moderna.