BIG BANG CON SUSY ROTA

 

Si la supersimetría está rota a una escala alta (es decir, las superpartículas son muy masivas), entonces su papel en la historia térmica del universo es precisamente el que describes.

Cronología del Universo Supersimétrico

1. Instantes iniciales (T > escala SUSY): Inmediatamente después del Big Bang, el universo estaba tan caliente y denso que la energía media por partícula era superior a las masas de las superpartículas. En este régimen, la supersimetría estaba efectivamente restaurada (las diferencias de masa eran irrelevantes comparadas con la energía total). Las superpartículas se producían y destruían fácilmente en colisiones, estando en equilibrio térmico con todas las demás partículas (fotones, quarks, etc.). El universo era supersimétrico.

2. Expansión y enfriamiento (T ≈ escala SUSY): A medida que el universo se expandía y enfriaba, su temperatura (T) bajó por debajo de la escala de masa típica de las superpartículas (Msusy ~ 1-10 TeV o más). En este punto, ya no había suficiente energía en las colisiones para producir pares de superpartículas masivas. Sin embargo, las que ya existían podían aniquilarse entre sí o decaer en partículas más ligeras.

3. Era de la desaparición (T < escala SUSY): Aquí es donde la mayoría de las superpartículas desaparecieron. Hay dos destinos principales:

   • Aniquilación: Dos superpartículas (ej: un stop y su antipartícula) podían encontrarse y aniquilarse en partículas del Modelo Estándar (quarks, fotones, etc.).

   • Decaimiento: Una superpartícula masiva (ej: un gluino) es inestable y decaería en una cadena de partículas más ligeras, terminando eventualmente en la superpartícula más liviana (LSP), que es estable en muchos modelos.

4. El remanente: La LSP como Materia Oscura
   Este es el punto clave. La LSP (por ejemplo, el neutralino, una mezcla de fotino, zino y higgsinos) es estable si se conserva la R-paridad (un número cuántico que distingue partículas ordinarias de sus supercompañeras). Por lo tanto, no puede decaer.
   Cuando el universo se enfrió lo suficiente, las LSPs dejaron de aniquilarse eficientemente y su densidad se "congeló" (freeze-out). Estas LSPs remanentes, dispersas por todo el universo, son un candidato principal para la MATERIA OSCURA FRÍA. No desaparecieron; están aquí, formando halos alrededor de las galaxias, pero son extremadamente difíciles de detectar porque interactúan muy débilmente.

Resumen en una línea de tiempo térmica:

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Tiempo: 10⁻³⁵ s → 10⁻¹² s → 10⁻⁶ s → Hoy
Temp.: ~10¹⁶ GeV → ~1 TeV → ~100 MeV → 2.7 K
Evento: SUSY RESTAURADA (todas las partículas y superpartículas en equilibrio térmico).
         ↓
         SUSY SE ROMPE (T ≈ Msusy). Las superpartículas masivas dejan de producirse.
         ↓
         ANIQUILACIÓN Y DECAIMIENTO MASIVO de superpartículas (excepto LSP).
         ↓
         "FREEZE-OUT" de la LSP. Su densidad se congela. Se convierte en MATERIA OSCURA.
         ↓
         El universo observable contiene partículas del Modelo Estándar + LSP (materia oscura).

Comparación con el Modelo Estándar

Tu intuición es paralela a lo que ocurrió con otras partículas masivas:

• Los bosones W y Z (masivos) existieron libremente en el universo primitivo (cuando T > 100 GeV), pero cuando el universo se enfrió, se "condensaron" y hoy solo se manifiestan como fuerzas de corto alcance.

• Los quarks se combinaron en hadrones (protones, neutrones) cuando T < 200 MeV.

• Las superpartículas seguirían un patrón similar, pero a una escala de energía mucho mayor (TeV).

Huellas Observables de esta Historia

La desaparición de las superpartículas en el universo primitivo pudo dejar huellas detectables:

1. Abundancia de Materia Oscura: La densidad calculada de LSPs tras el freeze-out coincide sorprendentemente con la densidad observada de materia oscura (la "coincidencia WIMP").

2. Nucleosíntesis Primordial (BBN): Los decaimientos de superpartículas podrían haber inyectado energía y alterado las abundancias de elementos ligeros (H, He, Li). Los datos de BBN ponen límites a estos modelos.

3. Radiación de Fondo de Ondas Gravitacionales: Transiciones de fase asociadas con la ruptura de SUSY en el universo temprano podrían generar ondas gravitacionales detectables por futuros observatorios (LISA).

Conclusión

Si SUSY está rota a la escala TeV, las superpartículas fueron componentes abundantes del plasma caliente del universo primigenio (cuando el universo tenía menos de ~10⁻¹² segundos y la temperatura superaba los ~10,000 billones de grados). La mayoría se aniquilaron o decayeron rápidamente a medida que el universo se enfriaba, pero la superpartícula más liviana (LSP) habría sobrevivido como un relicto estable. Es precisamente esta reliquia la que, en muchos modelos, constituye la materia oscura que domina la estructura cósmica actual.

Por tanto, las superpartículas no "desaparecieron" por completo: su remanente más estable podría estar formando el 85% de la materia que nos rodea, esperando ser detectada en experimentos de materia oscura o producida en futuros colisionadores de alta energía.