¿Por qué es sorprendente la asimetría materia-antimateria, si la asimetría puede ser generada por un paseo aleatorio en el que las partículas entran en los agujeros negros?

Question

Según tengo entendido, el universo primitivo era un entorno muy "caliente" (es decir, denso en energía). Incluso era lo suficientemente caliente como para que los agujeros negros se forman a partir de fotones .

Mi segundo punto de entendimiento es que los agujeros negros pueden perder masa debido a la radiación hawking, lo que equivale a :

Se puede obtener una visión física del proceso imaginando que la radiación de partículas-antipartículas se emite desde más allá del horizonte de sucesos. horizonte de sucesos. Esta radiación no proviene directamente del agujero negro sino que es el resultado de partículas virtuales que son "impulsadas" por la gravitación del agujero negro para que se conviertan en partículas reales.[cita necesaria] Como el par partícula-antipartícula fue producido por la energía gravitacional del agujero negro energía gravitacional del agujero negro, el escape de una de las partículas reduce la masa del agujero negro. 3

Una visión alternativa del proceso es que las fluctuaciones del vacío provocan un par partícula-antipartícula aparezca cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro. Uno de los pares cae en el agujero negro mientras que el otro escapa. Para conservar la energía total, la partícula que cayó en el agujero negro debe tener una energía negativa (con respecto a un observador alejado del agujero negro). Esto hace que el agujero negro pierda masa y, para un observador externo, parezca que el agujero negro acaba de emitir una partícula. En otro modelo, el proceso es un efecto de túnel cuántico, por el que se forman pares partícula-antipartícula se formarán a partir del vacío, y uno de ellos hará un túnel fuera del horizonte de sucesos. horizonte de sucesos.

Así que simulé un escenario con dos tipos de partículas que se crean en una proporción 50/50 a partir de la radiación hawking, y siempre se aniquilan entre sí si es posible.

Editar:

En esta simulación se crean ambas partículas, pero una es absorbida dentro del agujero negro. La otra se queda fuera. Así que la carga debería ser conservada.

La simulación (escrita en R) está aquí:

# Run the simulation for 1 million steps and initialize output matrix
n_steps = 1e6
res     = matrix(ncol = 2, nrow = n_steps)

# Initiate number of particles to zero
n0 = n1 = 0
for(i in 1:n_steps){
  # Generate a new particle with 50/50 chance of matter/antimatter
  x = sample(0:1, 1)

  # If "x" is a matter particle then...
  if(x == 0){
    # If an antimatter particle exists, then annihilate it with the new matter particle. 
    #Otherwise increase the number of matter particles by one
    if(n1 > 0){
      n1 = n1 - 1
    }else{
      n0 = n0 + 1
    }
  }

  # If "x" is an antimatter particle then...
  if(x == 1){
    # If a matter particle exists, then annihilate it with the new antimatter particle. 
    # Otherwise increase the number of antimatter particles by one
    if(n0 > 0){
      n0 = n0 - 1
    }else{
      n1 = n1 + 1
    }
  }

  # Save the results and plot them if "i" is a multiple of 1000
  res[i, ] = c(n0, n1)
  if(i %% 1000 == 0){
    plot(res[1:i, 1], ylim = range(res[1:i, ]), type = "l", lwd = 3, panel.first = grid())
    lines(res[1:i, 2], col = "Red", lwd = 3)
  }
}

He aquí una instantánea de los resultados, donde la línea negra es el número de partículas de "tipo 0" y la línea roja es el número de partículas de "tipo 1":

Evidentemente, se trata de un modelo 1d simplificado en el que cualquier antimateria generada es inmediatamente aniquilada por una partícula de materia correspondiente, etc. Sin embargo, no veo por qué no se esperaría que el resultado cualitativo de una "especie" de partícula dominante se mantuviera en general. Entonces, ¿cuál es la base para esperar cantidades iguales de materia y antimateria? ¿Cómo entra en conflicto con esta simple simulación?

EDITAR:

Como se pedía en los comentarios, he modificado la simulación para permitir diferentes números iniciales de partículas y la probabilidad de generar cada partícula.

# Run the simulation for 1 million steps and initialize output matrix
n_steps = 250e3
res     = matrix(ncol = 2, nrow = n_steps)

# Initial number of each type of particle and probability of generating type 0
n0 = 0
n1 = 0
p0 = 0.51
for(i in 1:n_steps){
  # Generate a new particle with 50/50 chance of matter/antimatter
  x = sample(0:1, 1, prob = c(p0, 1 - p0))

  # If "x" is a matter particle then...
  if(x == 0){
    # If an antimatter particle exists, then annihilate it with the new matter particle. 
    # Otherwise increase the number of matter particles by one
    if(n1 > 0){
      n1 = n1 - 1
    }else{
      n0 = n0 + 1
    }
  }

  # If "x" is an antimatter particle then...
  if(x == 1){
    # If a matter particle exists, then annihilate it with the new antimatter particle. 
    # Otherwise increase the number of antimatter particles by one
    if(n0 > 0){
      n0 = n0 - 1
    }else{
      n1 = n1 + 1
    }
  }

  # Save the results and plot them if "i" is a multiple of 1000
  res[i, ] = c(n0, n1)
  if(i %% 1e4 == 0){
    plot(res[1:i, 1], ylim = range(res[1:i, ]), type = "l", lwd = 3, panel.first = grid())
    lines(res[1:i, 2], col = "Red", lwd = 3)
  }
}

Algunos ejemplos:

n0 = 1000, n1 = 0, p = 0,5

n0 = 0, n1 = 0, p = 0,51

n0 = 1000, n1 = 1000, p = 0,5

EDITAR 2:

Gracias a todos por vuestras respuestas y comentarios. Me enteré de que el nombre del proceso de generación de materia a partir de agujeros negros es "bariogénesis de agujeros negros". Sin embargo, en los artículos que consulté sobre este tema (por ejemplo Nagatani 1998 , Majumdar et al 1994 ) no parecen hablar de lo mismo que yo.

Digo que a través de la dinámica de generación y aniquilación simétrica de materia-antimateria junto con la bariogénesis simétrica a través de la radiación hawking se siempre obtener un desequilibrio con el tiempo que tenderá a crecer debido a una retroalimentación positiva. Es decir, el Condiciones de Sajarov como la violación del CP son no realmente necesario para obtener una asimetría.

Si aceptas que la producción de pares, la aniquilación y la radiación hawking existen, entonces deberías esperar por defecto que una especie dominante de partícula domine sobre la otra en todo momento. Ese es el único estado estable (además de un universo de sólo energía). La igualdad aproximada entre materia y antimateria es obviamente muy inestable porque se aniquilan entre sí, así que no tiene sentido esperar eso.

Es posible que en algún modelo más complicado (que incluya más de un tipo de partícula-par, distancia entre partículas, fuerzas, etc.) esta tendencia a la asimetría se anule de alguna manera. Pero no se me ocurre ninguna razón por la que eso sería así, debería ser la gente que espera la simetría materia-antimateria la que tuviera que idear un mecanismo para explicar eso (que sería una cosa impar para gastar su tiempo ya que eso no es decididamente lo que observamos en nuestro universo).

En cuanto a algunas cuestiones específicas que la gente tenía:

1) Preocupación por la acumulación de carga negativa en los agujeros negros y de carga positiva en el espacio regular

• Mientras que en la simulación sólo hay una partícula, en la práctica esto estaría ocurriendo en paralelo para los pares electrón-positrón y protón-antiprotón a (por lo visto) igual velocidad. Así que no esperaría ningún tipo de desequilibrio de carga. Se puede imaginar que los pares de partículas en la simulación son mitad electrones-positrones y mitad protones-antiprotones.

2) No había suficientes agujeros negros en el universo primitivo para explicar la asimetría

• Intenté y no conseguí una cita exacta para poder averiguar qué suposiciones se hicieron, pero dudo que incluyeran la retroalimentación positiva mostrada por la simulación en su análisis. Además, me pregunto si consideraron la posibilidad de que se formen agujeros negros kugelblitz en un universo sólo de energía. Por último, la tendencia hacia una especie dominante está en curso todo el tiempo, no tiene por qué haber ocurrido en el universo primitivo de todos modos.

3) Si este proceso está en curso en un universo parecido al nuestro hoy en día (en el que una partícula puede tardar mucho tiempo en viajar de un agujero negro a otro), cabría esperar que algunos agujeros negros generaran localmente regiones dominadas por la antimateria y otras por la materia. Con el tiempo, algunas de estas regiones deberían entrar en contacto entre sí dando lugar a una aniquilación masiva de partículas observable.

• Estoy de acuerdo en que esta sería la expectativa por defecto, pero si se parte de un estado altamente dominado por la materia sería muy improbable que se generara suficiente antimateria para aniquilar localmente toda la materia e incluso entonces sólo hay un 50% de posibilidades de que la siguiente fase sea de antimateria. Poner números a cosas como ésta requeriría un modelo más complejo que no deseo intentar aquí.

4) La asimetría no es considerada realmente sorprendente por los físicos.

• Bueno, dice esto en wikipedia :

  Ni el modelo estándar de la física de partículas, ni la teoría de relatividad general proporcionan una explicación conocida de por qué esto debería ser así, y es una suposición natural que el universo sea neutral con todas las cargas conservadas. [...] Como se señala en un artículo de investigación de 2012, "El origen de la materia sigue siendo uno de los grandes misterios de la física".

5) Este proceso es de alguna manera una teoría exótica "alternativa" a la estándar.

• Este proceso se dedujo aceptando que la física/cosmología estándar es correcta. Es una consecuencia directa de la interacción entre la producción/aniquilación de pares y la radiación Hawking. Puede parecer contradictorio para las personas acostumbradas a pensar en lo que esperaríamos de media de un modelo, cuando en realidad queremos pensar en cómo se comportan las instancias individuales. Si la simulación se ejecuta varias veces y se suman todas las "partículas" el resultado será ~50/50 materia/antimateria. Sin embargo, observamos un universo particular, no una media de todos los universos posibles. En cada instancia particular siempre hay una especie de partícula dominante, que acabamos llamando "materia".

Así que, después de leer las respuestas/comentarios Creo que la respuesta a mi pregunta es probablemente que los físicos estaban pensando en lo que esperarían en promedio cuando deberían haber estado pensando en lo que sucedería en casos específicos. Pero no estoy lo suficientemente familiarizado con la literatura para decirlo.

Edita 3:

Después de hablar con Chris en el chat, decidí hacer que la tasa de aniquilación dependiera del número de partículas en el universo. Lo hice estableciendo la probabilidad de aniquilación a exp(-100/n_part), donde n_part es el número de partículas. Esto fue bastante arbitrario, lo elegí para tener una cobertura decente sobre todo el rango típico para 250k pasos. Se ve así:

Aquí está el código (también he añadido algo de paralelización, perdón por la mayor complejidad):

require(doParallel)

# Number of simulations to run and threads to use in parallel
n_sim   = 100
n_cores = 30

# Initial number of each type of particle and probability
n0 = 0
n1 = 0
p0 = 0.5

registerDoParallel(cores = n_cores)
out = foreach(sim = 1:n_sim) %dopar% {
  # Run the simulation for 250k steps and initialize output matrix
  n_steps = 250e3
  res     = matrix(ncol = 2, nrow = n_steps)

  for(i in 1:n_steps){
    # Generate a new particle with 50/50 chance of matter/antimatter
    x = sample(0:1, 1, prob = c(p0, 1 - p0))

    n_part = sum(res[i -1, ]) + 1
    p_ann  = exp(-100/n_part)
    flag   = sample(0:1, 1, prob = c(1 - p_ann, p_ann))

    # If "x" is a matter particle then...
    if(x == 0){
      # If an antimatter particle exists, then annihilate it with the new matter particle. 
      # Otherwise increase the number of matter particles by one
      if(n1 > 0 & flag){
        n1 = n1 - 1
      }else{
        n0 = n0 + 1
      }
    }

    # If "x" is an antimatter particle then...
    if(x == 1){
      # If a matter particle exists, then annihilate it with the new antimatter particle. 
      # Otherwise increase the number of antimatter particles by one
      if(n0 > 0 & flag){
        n0 = n0 - 1
      }else{
        n1 = n1 + 1
      }
    }

    # Save the results and plot them if "i" is a multiple of 1000
    res[i, ] = c(n0, n1)
    if(i %% 1e4 == 0 && sim %in% seq(1, n_sim, by = n_cores)){
      # plot(res[1:i, 1], ylim = range(res[1:i, ]), type = "l", lwd = 3, panel.first = grid())
      # lines(res[1:i, 2], col = "Red", lwd = 3)
      print(paste0(sim, ": ", i))
    }
  }
  return(res)
}

Este es un ejemplo de 25 resultados:

Y un histograma del porcentaje de partículas que estaban en la clase menor al final de cada simulación:

Por lo tanto, los resultados siguen coincidiendo con el modelo más simple en el sentido de que dichos sistemas tenderán a tener una especie de partícula dominante.

Edita 4:

Tras una útil conversación con Chris, sugirió que la aniquilación de más de un par de partículas por paso era el factor añadido crucial. En concreto, el número de partículas eliminadas debería ser una muestra de la distribución de Poisson con una media proporcional al número total de partículas, es decir, rpois(1, m*n0*n1) donde m es lo suficientemente pequeño como para que la aniquilación sea muy rara hasta que exista un gran número de partículas de materia y antimateria.

Aquí está el código (que es bastante diferente al anterior):

require(doParallel)

# Number of simulations to run and threads to use in parallel
n_sim   = 100
n_cores = 30

# Initial number of each type of particle and probability
n0 = 0
n1 = 0
p0 = 0.5
m  = 10^-4

# Run the simulation for 250k steps and 
n_steps = 250e3

registerDoParallel(cores = n_cores)
out = foreach(sim = 1:n_sim) %dopar% {
  # Initialize output matrix
  res = matrix(ncol = 3, nrow = n_steps)

  for(i in 1:n_steps){
    # Generate a new particle with 50/50 chance of matter/antimatter
    x = sample(0:1, 1, prob = c(p0, 1 - p0))

    # If "x" is a matter particle then...
    if(x == 0){
      n0 = n0 + 1
    }

    # If "x" is an antimatter particle then...
    if(x == 1){
      n1 = n1 + 1
    }

    # Delete number of particles proportional to the product of n0*n1
    n_del = rpois(1, m*n0*n1)
    n0 = max(0, n0 - n_del)
    n1 = max(0, n1 - n_del)

    # Save the results and plot them if "i" is a multiple of 1000
    res[i, 1:2] = c(n0, n1)
    res[i, 3]   = min(res[i, 1:2])/sum(res[i, 1:2])
    if(i %% 1e4 == 0 && sim %in% seq(1, n_sim, by = n_cores)){
      # plot(res[1:i, 1], ylim = range(res[1:i, ]), type = "l", lwd = 3, panel.first = grid())
      # lines(res[1:i, 2], col = "Red", lwd = 3)
      print(paste0(sim, ": ", i))
    }
  }
  return(res)
}

Y aquí están los resultados para varios valores de "m" (que controla la frecuencia de aniquilación). Este gráfico muestra la proporción media de partículas menores para cada paso (usando 100 simulaciones por valor de m) como línea azul, la línea verde es la mediana, y las bandas son +/- 1 sd de la media:

El primer gráfico tiene el mismo comportamiento que mis simulaciones, y se puede ver que a medida que m se hace más pequeño (la tasa de aniquilación en función del número de partículas se hace más rara) el sistema tiende a permanecer en un estado más simétrico (50/50 materia/antimateria), al menos durante más pasos.

Así que una suposición clave de los físicos parece ser que la tasa de aniquilación en el universo primitivo era muy baja, de modo que se pudieron acumular suficientes partículas hasta que se hicieron lo suficientemente comunes como para que ninguna de ellas llegara a ser totalmente "eliminada".

EDITAR 5:

Corrí una de esas simulaciones de Poisson para 8 millones de pasos con m = 10^-6 y se puede ver que sólo toma más tiempo para que la dominancia se lleve a cabo (se ve ligeramente diferente porque el relleno de 1 sigma no trazaría con tantos puntos de datos):

Por lo tanto, concluyo que las tasas de aniquilación muy bajas sólo retrasan el tiempo que tarda, en lugar de dar lugar a un resultado fundamentalmente diferente.

Edita 6:

Lo mismo ocurre con m = 10^-7 y 28 millones de pasos. El gráfico agregado tiene el mismo aspecto que el anterior m = 10^-6 con 8 millones de pasos. Así que aquí están algunos ejemplos individuales. Se puede ver una clara tendencia hacia una especie dominante al igual que en el modelo original:

Edita 7:

Para terminar... Creo que la respuesta a la pregunta ("¿por qué los físicos piensan esto?") queda clara en mi conversación con Chris ici . Chris no parece estar interesado en convertirlo en una respuesta, pero lo aceptaré si alguien escribe algo similar.

Answer 1

¡Enhorabuena por haber encontrado un método de bariogénesis que funciona! Efectivamente, es cierto que si tienes un montón de agujeros negros, entonces por azar obtendrás un desequilibrio. Y este desequilibrio se mantendrá incluso después de que los agujeros negros se evaporen, porque el resultado de la evaporación no depende del número global de bariones que entró en el agujero negro.

Los agujeros negros pueden romper las leyes de conservación así. Las únicas leyes de conservación que no pueden romper son aquellas en las que se puede medir la cantidad conservada desde fuera. Por ejemplo, la carga se conserva porque se puede seguir la pista de la carga del agujero negro midiendo su campo eléctrico. En el Modelo Estándar, el número de bariones no tiene ese campo asociado.

Además, es necesario suponga que que se formen suficientes agujeros negros para que su mecanismo funcione. En los modelos estándar, esto no ocurre, a pesar de las altas temperaturas. Si se parte de un Big Bang estándar, el universo se expande demasiado rápido para que se formen agujeros negros.

---

Sin embargo, en física, encontrar un mecanismo que resuelva un problema no es el fin, sino el principio. No estamos todos sentados rascándonos la cabeza para cualquier mecanismo para lograr la bariogénesis. En realidad, hay al menos diez formas conocidas y conceptualmente distintas de hacerlo (incluida la suya), plasmadas en cientos de modelos concretos. El problema es que todos ellos requieren una nueva física especulativa, añadidos a los modelos centrales que ya hemos verificado experimentalmente. Nadie puede declarar que uno de estos modelos en concreto sea cierto, en ausencia de pruebas independientes.

Es como si todos estuviéramos sentados tratando de encontrar la contraseña de seis dígitos para una caja fuerte. Si pasas por allí y dices "bueno, obviamente es podría ser 927583", sin más pruebas, eso es técnicamente cierto. Pero no has descifrado la caja fuerte. El problema de la bariogénesis no es análogo a dar con cualquier número de seis dígitos, eso es fácil. El problema es que no sabemos cuál es el relevante, qué mecanismo existe realmente en nuestro universo.

Lo que los físicos que investigan estas cuestiones hacen en realidad es tratar de vincular estos modelos a cosas que podemos medir, o idear modelos sencillos que expliquen varios enigmas a la vez. Por ejemplo, una forma de probar un modelo con agujeros negros primordiales es calcular la cantidad lo suficientemente pesada como para vivir hasta el día de hoy, en cuyo caso se puede ir a buscarlos. O, si fueron creados por alguna física nueva, se podría buscar esa nueva física. Otra vertiente es observar que si hay suficientes agujeros negros primordiales todavía en la actualidad, podrían ser la materia oscura, por lo que se podría intentar acertar simultáneamente con la bariogénesis y la materia oscura. Todo esto implica mucha lectura, matemáticas y simulación.

Answer 2

Localidad

Se esperaría que el paseo aleatorio creara asimetrías diferentes (opuestas) en diferentes regiones, incluyendo regiones lo suficientemente distantes como para no afectarse mutuamente. Si este sería la causa principal de la asimetría, entonces esperaríamos que causara un predominio de materia en algunas áreas del universo observable y un predominio de antimateria en otras áreas del universo observable.

Sin embargo, observamos un predominio global y universal de la materia que parece uniforme en todo el universo observable; ya que cualquier frontera entre regiones de materia y antimateria crearía efectos observables que no parecen existir.

Answer 3

Su simulación crea aleatoriamente una sola partícula que es del tipo 1 o del tipo 2. Si estos dos tipos están cargados, entonces cualquiera de estos dos procesos de creación viola la conservación de la carga. La conservación de la carga es una ley absoluta de la física hasta donde sabemos, y esto incluye procesos como la formación y evaporación de agujeros negros.

El OP lo aclaró en un comentario:

Se crean ambas partículas, pero una es absorbida por el agujero negro. La otra se queda fuera. Así que la carga debería conservarse.

El hecho de que una partícula entre en un agujero negro no significa que sea como si la partícula nunca hubiera existido. Su masa-energía, carga y momento angular siguen presentes en el agujero negro. Este es un ejemplo de la universalidad de la conservación de la carga como ley de la física.

En su simulación, digamos que las partículas representadas por la curva negra de su gráfico son electrones. Entonces el universo de tu simulación ha acumulado un gran exceso de agujeros negros con carga positiva. Estos agujeros negros cargados positivamente no emiten (en promedio) radiación Hawking eléctricamente neutra. Cuando se evaporen por completo, habrán emitido partículas cargadas positivamente, como los positrones, en una cantidad que equivale exactamente al número de cargas positivas que consumieron. (Hago estas afirmaciones como si supiéramos con certeza que la radiación Hawking funciona de una manera determinada. En realidad no tenemos pruebas directas, y los métodos de la gravedad semiclásica nunca se han comparado con la observación de ninguna manera, así que no podemos estar seguros de que funcionen).

Tal vez quiera consultar las condiciones de Sajarov: https://en.wikipedia.org/wiki/Baryogenesis#GUT_Baryogenesis_under_Sakharov_conditions

Answer 4

La materia y la antimateria no se crean de una en una al azar. Para arreglar tu simulación, tendrías que crear siempre un electrón al mismo tiempo que creas un positrón.

¿Añadir un agujero negro rompe esa simetría? Definitivamente no. La carga sigue conservándose: el positrón que "cae" en el agujero negro no desaparece sin más, sino que altera la carga, el momento angular, etc. de todo el agujero negro. Así, si el agujero negro absorbe un electrón, se vuelve ligeramente más cargado negativamente. El agujero negro no es tan probable que absorba un electrón como que absorba un positrón: todo desequilibrio de la carga significa que las partículas con distinta carga son atraídas de forma diferente. Si de alguna manera el agujero negro consiguiera consumir mil millones de electrones a la vez repelen electrones, mientras que atrayendo a positrones. El desequilibrio desaparecería rápidamente.

Pero, de todos modos, no es así como funciona la radiación de Hawking (suponiendo que realmente exista). No hay ningún par partícula-antipartícula que se cree cerca del horizonte par del agujero negro, del que uno se crea al azar de forma que cae en el agujero, mientras que el otro escapa. Si esta fuera la imagen correcta, la radiación de Hawking se emitiría en todo tipos de tiempos espaciales deformados, incluyendo el de la Tierra. Las llamadas partículas virtuales son perturbaciones en los campos cuánticos subyacentes que no son partículas. Una partícula real es un paquete de ondas estable en el campo que se autopropaga, y si se ignoran las interacciones con otros campos, no desaparece nunca; tiene una masa definida, carga eléctrica, etc. Las partículas virtuales se parecen más a las ondas de agua que se producen cuando se lanza una piedra en un estanque. Un electrón virtual no tiene la masa del electrón, ni su carga, ni nada más. No es un electrón que se aniquila con un positrón demasiado rápido para ser observable: no es una partícula en absoluto. A veces, la gente confunde cosas como "2 fotones -> 1 electrón + 1 positrón -> 2 fotones" con partículas virtuales. No hay ninguna similitud útil entre ambas. Un agujero negro es como un agujero en la piel de un tambor. Su presencia significa que algunos modos de vibración no están permitidos, mientras que otros que no estarían permitidos en un tambor intacto... sí lo están.

Por supuesto, los positrones no son la única partícula con carga positiva del universo. ¿Podría la radiación estar en forma de protones? La verdad es que no. Los protones son realmente muy masivo en comparación con los electrones y positrones. Incluso si tuviéramos un agujero negro lo suficientemente pequeño como para tener una radiación Hawking lo suficientemente energética como para producir protones, esperaríamos mil positrones por cada protón producido, incluso suponiendo que los positrones y los protones funcionaran exactamente igual (lo cual no es así). Y, por supuesto, también se esperaría que se produjeran antiprotones en las mismas cantidades: el resultado final sigue siendo un universo sin materia ni antimateria.

Esto también significa que es bastante difícil hacer materia a partir de la radiación Hawking. Si crees en la descripción popular de la radiación Hawking y las partículas virtuales, deberías esperar que un agujero negro más grande produzca mucha más radiación que un agujero negro pequeño. La "formación espontánea de pares" debería ser la misma en todo el espacio-tiempo, por lo que, en igualdad de condiciones, un agujero negro más grande debería "capturar" más pares que un agujero negro más pequeño; si ignoramos todos los efectos como la carga y la gravedad, deberíamos esperar que la producción de pares se corresponda con la superficie del agujero negro (el horizonte de sucesos).

Pero no es así en absoluto: se espera que los agujeros negros más pequeños emitan mucha más radiación que los grandes. No sólo eso, sino que los agujeros negros más grandes emiten longitudes de onda mucho más largas (y, por tanto, partículas menos energéticas, casi exclusivamente fotones y quizás neutrinos) que los agujeros negros pequeños. Los agujeros negros de masa estelar son demasiado masivos para producir algo como un electrón - incluso el agujero negro de masa terrestre es camino demasiado (unos siete órdenes de magnitud de más). Ni que decir tiene que hay que esperar protones de agujeros negros aún más pequeños, y en cantidades mucho menores que los electrones; y para un agujero negro sin carga, se obtendrán aproximadamente tantos electrones como positrones. La simetría sigue existiendo, porque al final no estás consumiendo al azar una de las partículas formadas espontáneamente, sino que estás distorsionando las oscilaciones del campo eléctrico cuántico, y el resultado depende de cuál era el valor del campo en primer lugar.

Para explicar el dominio de la materia en el universo, se necesita algo que prefiera la materia. Incluso si la mera casualidad estadística fuera suficiente para explicar el dominio de la materia, no se esperaría que el universo fuera uniformemente hecho de materia. Deberían esperarse bolsas de materia, junto a bolsas de antimateria. Pero eso sería muy obvio en nuestros estudios, incluso desde muy lejos: la interfaz entre la bolsa de materia y la bolsa de antimateria brillaría como un loco. Nosotros no vemos eso.

Pero en realidad hemos conseguido encontrar un cosa en el universo que trata la materia y la antimateria de forma diferente - la simetría no es perfecta. Se trata de la fuerza nuclear débil, y los físicos están muy entusiasmados por aprender más sobre esta fuerza fundamental que ha sido un poco descuidada hasta ahora; y especialmente sobre su conexión con el campo de Higgs, confirmado hace relativamente poco. No voy a extenderme, porque esto ya es demasiado largo :)

Todavía nos queda una cosa importante. Usted supone que si había mucha densidad de energía en el universo primitivo, esto debió provocar la formación de agujeros negros. Este es un malentendido común: los agujeros negros no se forman como resultado de una alta densidad de materia o energía. Requieren una densidad gradiente . La distinción no tiene mucha importancia cuando se habla de los agujeros negros que observamos: básicamente se está comparando la densidad de energía del cuasi-vacío con una masa estelar de materia masivamente compactada. Pero aunque el universo primitivo, antes de la bariogénesis, tenía una densidad de energía muy alta, también era increíblemente uniforme: era (y sigue siendo) muy, muy plano. No había ninguna "inclinación" del espaciotiempo, ni agujeros negros. Primero se necesitarían desviaciones significativas, bolsas localizadas de baja densidad de energía - pero vemos en la radiación cósmica de fondo que el universo era extremadamente uniforme (en el punto en el que se volvió ampliamente transparente a la radiación).