El resplandor del Big Bang revela el tiempo de vida de los fotones

bigbangDe la noción de que la luz, que viaja a 300,000 km/s, es el límite cósmico de velocidad, se desprende el supuesto de que las partículas de la luz, llamadas fotones, no tienen masa. Pero observaciones astronómicas no pueden descartar el hecho de que exista una remota posibilidad de que los fotones sí tengan algo de masa.

Por ejemplo, si los fotones no pesan nada, serían completamente estables y durarían para siempre. Pero si tuvieran algo de masa, podrían decaer en partículas menos pesadas. Pero ahora, estudiando luz antigua que fue irradiada poco después del Big Bang, los físicos han podido calcular el tiempo mínimo de vida de los fotones y han mostrado que pueden vivir por billones de billones de años o para siempre.

Ese periodo de vida puede ser una eternidad, pero para un fotón viajando a la velocidad de la luz, ese tiempo pasaría en un abrir y cerrar de ojos. Esto se debe al efecto de dilatación del tiempo que fue predicho por Albert Einstein en la Teoría de la Relatividad, donde millones y millones de años para un terrícola representarían para un fotón tan solo tres años debido a que estas partículas viajan a la velocidad de la luz.

Si los científicos descubrieran algún día que los fotones tienen algo de masa, y por consiguiente un periodo de vida limitado, “la noción de velocidad de la luz obviamente ya no tendría ningún sentido”, afirma Julian Heeck, un estudiante de doctorado del Instituto Max Planck de Alemania. Seguiría habiendo un límite absoluto de velocidad, pero los fotones obviarían esa regla y entonces viajarían a una velocidad menor a la de la luz. La velocidad de los fotones dependería entonces de su longitud de onda y la luz azul viajaría más rápido que la luz roja. Por consiguiente, fotones liberados simultáneamente de estrellas distantes llegarían a la Tierra en diferentes tiempos, dependiendo de su longitud de onda.

Si un un fotón contuviera masa entonces también se necesitarían modificar algunos aspectos del Modelo Estándar de la Física. La ecuación de Maxwell que describe las ondas y campos electromagnéticos (los fotones son las partículas encargadas de transmitir las fuerzas electromagnéticas) y las leyes que describen las interacciones entre partículas cargadas. Debido a este último efecto, observaciones de los campos magnéticos del Sol han demostrado recientemente que los fotones, si es que pesan algo, ese algo debe ser muy ligero. El límite experimental actual sobre la masa de los fotones es de 10 a la -54 kilogramos.

Para encontrar el límite de vida de un fotón, Heeck analizó observaciones de la radiación de fondo de microondas, que es la luz que empapa a todo el universo y que tuvo su origen pocos miles de años después de la Gran Explosión y que ha sido medida desde 1989 por el Satélite COBE, siglas de Cosmic Background Explorer. Esta luz tiene un patrón específico llamado radiación del cuerpo negro, que les indica a los científicos qué tan intensa debe ser la luz (todo esto basado en su longitud de onda). Si un fotón decayera en una partícula menos masiva mientras se mueve a través del universo, de cualquier manera COBE observaría menos energía (luz más roja) que la predicha por la ley de la radiación del cuerpo negro, esto se debe a que la luz roja decaería mucho más rápido que la luz azul que, como ya mencionábamos, tiene más energía. “Los fotones que vienen de muy lejos, desde el comienzo del universo, han tenido suficiente tiempo para decaer cuando llegan a nosotros”, afirma Emanuel Berti de la Universidad de Mississippi.

Pero de acuerdo con las mediciones de COBE, la radiación de fondo de microondas parece comportarse como un perfecto cuerpo negro, esto quiere decir que ningún tipo de luz de baja energía parece perderse, lo que indica que muy pocos fotones, si no es que ninguno, ha decaído desde la Gran Explosión hace 13,700 millones de años. Este análisis le permite a Keeck calcular que la duración mínima de un fotón es de 10 a la 18 potencia o lo que significa billones y billones de años.

Sin embargo, a pesar de que el modelo que afirma que el fotón no tiene masa parece ser correcto, la perspectiva de un modelo con masa plantea intrigantes posibilidades. Por ejemplo, si los fotones decayeran en partículas menos pesadas, ¿qué tipo de partículas serían? Esta es sin duda la cuestión fundamental. Una posibilidad es que estos fotones se conviertan en neutrinos que vienen en diferentes variedades o sabores.

La investigación de Heeck ha sido publicada el pasado 11 de Julio en la revista Physical Review Letters y representa el primer cálculo del tiempo mínimo de vida de un fotón.

Algo que también es interesante de mencionar es lo que pudo haber sucedido después de que la radiación de fondo de microondas se formara. Y es que aquellos primeros fotones probablemente fueron absorbidos por la materia interestelar para luego ser reemitidos cambiando así sus propiedades.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Scientific American

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