Huella pentadimensional en la luz de fondo
Las partículas pesadas, como los modos y gravitones de Kaluza-Klein, pueden surgir de dimensiones adicionales y ser esquivas en los laboratorios, pero capaces de manifestarse durante la inflación cósmica, generando pequeñas desviaciones de la estadística gaussiana (no gaussianidad) en las inhomogeneidades primordiales. Por primera vez se ha realizado una búsqueda de estas señales en los datos del satélite Planck para un modelo curvado de cinco dimensiones; no se han encontrado desviaciones significativas, el mayor indicio al nivel de 1.8σ corresponde a una masa del gravitón KK de aproximadamente 1.6 veces el parámetro de Hubble. Sin embargo, se ha descubierto una configuración que naturalmente produce no gaussianidad con una intensidad al alcance de futuros cartografiados del cielo. Es como buscar el eco de otra dimensión, un eco que está a punto de hacerse audible.
La radiación de fondo no es sólo un tenue resplandor con una temperatura de 2,7 K. Es una fotografía del universo 380 000 años después del Big Bang, cuando el plasma primordial finalmente se volvió transparente a la luz. Pero para los físicos teóricos es mucho más interesante lo que ocurrió antes. En la era de expansión inflacionaria, la escala de energías se disparó a alturas inimaginables, y las fluctuaciones cuánticas del vacío generaron partículas, como una ola de marea que arroja conchas a la orilla. Es precisamente esa época turbulenta, predicha por los trabajos de Georges Lemaître y Edwin Hubble, la que hoy se intenta observar a través de las huellas en el cielo de microondas.
Si nuestro mundo contiene dimensiones espaciales ocultas —como lo exigen muchas extensiones del Modelo Estándar—, entonces en el «caldero» inflacionario no solo surgieron partículas ordinarias, sino también visitantes exóticos: gravitones masivos de Kaluza–Klein y el radión. Al nacer y desintegrarse de inmediato, introdujeron perturbaciones en el plasma primordial, violando la estadística gaussiana de las fluctuaciones de temperatura. Miles de millones de años después, esas inhomogeneidades quedaron congeladas en forma de sutiles patrones triangulares en el mapa del fondo de radiación, descubierto en 1965 por Arno Penzias.
Los investigadores aplicaron un elegante enfoque: la espectroscopía cosmológica. De manera similar a como los químicos identifican elementos por las líneas en el espectro de una estrella, los físicos buscan «líneas espectrales» en el biespectro, una función de correlación de tres puntos que captura las desviaciones de la gaussianidad. Cada partícula tiene una firma única, que depende de su masa y su espín. El gravitón con espín 2 dibuja un patrón, el radión con espín 0 dibuja otro completamente diferente. Estos patrones no son arbitrarios: se forman en un espacio-tiempo en expansión, donde domina la dilatación del tiempo y las perturbaciones viajan a la velocidad de la luz. Así surge una verdadera espectroscopía de masa-espín, capaz de distinguir partículas inaccesibles para cualquier acelerador terrestre.
Tras procesar el conjunto de datos de la misión Planck, los científicos no observaron el esperado pico. La significancia local para el gravitón de Kaluza–Klein se quedó en 1,8σ para una masa de alrededor de 1,6 H (donde H es la tasa de expansión en inflación), y el radión ni siquiera apareció. El parámetro de no gaussianidad fNL resultó cero dentro de los errores: por ejemplo, para el gravitón fNL ≈ −58 ± 32. Pero un resultado negativo también es un resultado: permitió imponer restricciones a los parámetros de modelos pentadimensionales como RS1. Cabe destacar que en estos modelos se espera naturalmente un fNL del orden de 1–50, muy cerca del umbral de sensibilidad actual. En otras palabras, el espectrógrafo está casi afinado, y la próxima generación de instrumentos podría captar la señal.
En la próxima década, la sensibilidad de búsqueda de no gaussianidad aumentará drásticamente. Nuevos sondeos del cielo —Euclid, SPHEREx— y mapas mejorados de la polarización del fondo de microondas reducirán los errores varias veces. Los teóricos, por su parte, calculan escenarios cada vez más exóticos: dinámica de dimensiones adicionales, potenciales químicos, funciones de cuatro puntos. Si se alcanzan los valores predichos de fNL, la cosmología se convertirá en una herramienta completa de la física de altas energías, capaz de sondear escalas para siempre inaccesibles a los colisionadores. Quizás así podamos vislumbrar por primera vez la naturaleza de la materia oscura, si está compuesta por esas mismas partículas de Kaluza–Klein, o captar un indicio para resolver el problema de jerarquía de masas en el Modelo Estándar. Y no se trata solo de partículas: la no gaussianidad de los gravitones lleva la impronta de las fluctuaciones cuánticas del espacio-tiempo, esas mismas ondas gravitacionales que se propagan como ondulaciones por el tejido del cosmos. En este sentido, la búsqueda de dimensiones adicionales se une al enigma de la entropía de los agujeros negros, otra área donde los cuantos y la gravedad se entrelazan en un nudo apretado.
🎯 La idea de usar la cosmología para comprobar la física de partículas se remonta a los años 70, pero solo la fantástica precisión de los datos de Planck la convirtió en una herramienta útil.
🎬 En la novela de Greg Egan «La escalera de Schild» se describe un universo con dimensiones adicionales, donde los físicos descubren un modo de viajar a través del «volumen». Aunque nuestra realidad es más modesta, la búsqueda en la radiación de fondo de partículas mensajeras procedentes de dimensiones ocultas es un paso hacia «escuchar» el eco del cosmos multidimensional.