💥 Nucleosíntesis del Big Bang — Los Primeros 20 Minutos

La BBN estándar predice Li-7/H ≈ 5 × 10⁻¹⁰ para la densidad de bariones observada, pero las mediciones espectroscópicas de estrellas viejas del halo (meseta de Spite) encuentran Li-7/H ≈ 1,6 × 10⁻¹⁰ — unas tres veces menor. Esta discrepancia, conocida como el "problema cosmológico del litio", persiste tras tener en cuenta los mecanismos conocidos de depleción estelar. Las explicaciones propuestas incluyen la difusión de litio hacia los núcleos estelares, nueva física más allá del Modelo Estándar, o tasas de reacción nuclear aún no identificadas.

La ventana activa de nucleosíntesis duró aproximadamente desde t ≈ 10 segundos (cuando T ≈ 3 MeV y n/p comenzó a congelarse) hasta t ≈ 20 minutos (T ≈ 0,03 MeV) cuando el universo se había enfriado demasiado para que las reacciones nucleares continuaran. Para entonces, la composición nuclear del universo estaba esencialmente fijada: ~75% hidrógeno (en masa), ~25% helio-4, ~0,003% deuterio, trazas de helio-3 y litio-7. Todos los elementos más pesados se formaron después en las estrellas.

No existen núcleos estables con números de masa 5 u 8, lo que crea una brecha que impide las reacciones en cadena necesarias para formar carbono (masa 12) y núcleos más pesados. El proceso triple-alfa que salva esta brecha en las estrellas requiere densidades y temperaturas de helio alcanzables solo en núcleos estelares, no en el plasma del Big Bang, que se enfría rápidamente y es diluido. El carbono, el oxígeno y todos los elementos más allá del litio son productos de la nucleosíntesis estelar y de las explosiones de supernova.

Tres pilares observacionales principales respaldan la BBN: (1) la fracción de masa de He-4, Y_p ≈ 0,245, medida en regiones HII extragalácticas pobres en metales; (2) D/H ≈ 2,5 × 10⁻⁵ observada en sistemas de líneas de absorción de cuásares a alto corrimiento al rojo, donde el deuterio no ha sido destruido por el procesamiento estelar; y (3) la densidad de bariones a partir de las anisotropías del CMB (Planck 2018: Ω_bh² = 0,02237) concuerda con un margen del 0,2% con el valor inferido de las observaciones de deuterio.

George Gamow propuso en 1946 que la síntesis de elementos ocurrió en el universo primitivo caliente (artículo "Alpher-Bethe-Gamow", 1948 — se añadió a Bethe por diversión alfabética). Ralph Alpher y Robert Herman hicieron predicciones cuantitativas y en 1948 predijeron la existencia de un campo de radiación térmica remanente a una temperatura de ~5 K — predicción confirmada por el descubrimiento del CMB por Arno Penzias y Robert Wilson en 1965. Fred Hoyle, quien acuñó el término "Big Bang" de manera burlona, hizo no obstante contribuciones cruciales a la comprensión de la síntesis del He-4.

Por debajo de T ≈ 0,8 MeV (unos 9 mil millones de kelvin, t ≈ 2,6 segundos), las tasas de interacción débil que mantienen el equilibrio entre protones y neutrones (p + e⁻ ↔ n + ν_e) caen por debajo de la tasa de expansión de Hubble. Tras la congelación, la razón n/p viene dada por el factor de Boltzmann exp(−Δm/T_congelación) donde Δm = 1,293 MeV es la diferencia de masa neutrón-protón. La razón en la congelación es ~1/6, disminuyendo ligeramente a ~1/7 para el inicio de la síntesis debido al decaimiento de neutrones (τ_n = 880 s).

La temperatura de congelación de n/p depende de la tasa de expansión de Hubble en esa época, que a su vez depende de la densidad total de energía de radiación — incluyendo todas las especies relativistas. Sabores de neutrinos adicionales (o cualquier otra partícula ligera que interactúe débilmente) acelerarían la expansión, dando lugar a una congelación más temprana y a una razón n/p más alta y, por tanto, a más He-4. La BBN restringe el número efectivo de especies de neutrinos a N_eff = 2,99 ± 0,17, consistente con exactamente tres familias (electrón, muon, tau) según lo establecido por los experimentos LEP del CERN.

La ligerísima asimetría materia-antimateria — aproximadamente un barión extra por cada mil millones de fotones (la razón barión-fotón η ≈ 6 × 10⁻¹⁰) — significó que prácticamente toda la antimateria se aniquiló con la materia antes de que comenzara la BBN en t ≈ 10 s. Por lo tanto, la BBN produjo únicamente núcleos ordinarios (de materia). El origen de esta asimetría (bariogénesis) es uno de los problemas sin resolver más destacados de la cosmología, y requiere violación de CP más allá de la observada en el Modelo Estándar.