¿Qué sucedió hacia 10 elevado a -4 segundos después del Big Bang?

Esto va por épocas:

Epoca de Planck : seg

En este intervalo de tiempo la física deberá de estar descrita por la teoría de gravedad cuántica. Aún no sabemos si tenemos o no una teoría de tal tipo lo suficientemente buena. La mejor propuesta es la dad por teoría de cuerdas. Otras propuestas son las dadas por loop quantum gravity.

Epoca de Gran Unificación (GUT): de los seg a los seg

En esta época la gravedad se desacopla del resto de interacciones que permanecen unidas en un único esquema conceptual (descrito por una teoría de gran unificación, que combina electromagnetismo, interacción débil y fuerte). No tenemos tampoco una teoría definitiva de este régimen GUT. Pero los modelos existentes dicen que los conceptos tales como cargas, sabores y otros tipos de parámetros que asignamos a nuestras partículas actuales no tienen sentido. Además al terminar esta época se produce una expansión inmmensa denominada inflacción. (En las teorías de GUT hay dos clases de vacío, el vacío virtual (sin partículas) y el vacío propiamente dicho (con el mínimo de energía) con partículas. El paso de un vacío virtual a un vacío real produce un efecto antigravitatorio de gran intensidad y de corta duración.

Epoca Inflacionaria: de los seg a los seg

Aquí es donde se produce la inflación. Lo más importante de la inflación en realidad no es cómo se genera sino cómo se para este proceso. Y la respuesta es simple, el frenado de la inflacción hace que aparezcan las partículas que conocemos actualmente, leptones (electrones, muones, neutrinos, etc) y quarks. Y por supuesto las interacciones están desacopladas en la interacción electrodébil y la interacción fuerte actuando ya por separado.

Epoca Electrodébil: de los seg a los seg

Aquí empieza a dominar una física que controlamos muy bien en la actualidad. En esta época teníamos un condensado de quarks-gluones (que han sido vistos ya en laboratorio). La energía era tal que el electromagnetismo y la interacción débil estaban unidas, lo que significa que fotones, y bosones W y Z tienen las mismas particularidades, en especial carencia de masa. Al final de esta época y debido a un mecanismo de rotura de simetría (mediado por el bosón de Higgs hipotéticamente o tal vez por otro mecanismo todavía no estudiado) los bosones W y Z adquieren masa, lo que implica que el alcance de la interaccion débil se hace muy corto. Además implica que los bosones W y Z existentes en el medio, al adquirir masa se vuelven inestables decayendo en quarks y otras partículas. Por su parte el fotón permanece sin carga y resulta entonces que electromagnetismo e interacción débil se separan de manera definitiva.

Epoca de Quarks: de los seg a los seg

En esta época las interacciones se comportan como en la actualidad, pero la energía del medio (o su temperatura) es tal que impiden a los quarks formar partículas hadrónicas (compuestas por estos quarks). Así el medio es una sopa de quarks, leptones, gluones, y fotones, interaccionando muy fuertemente. Al final de esta época la temperatura desciende al grado de que los quarks pueden formar hadrones porque el resto de partículas no es capaz de proporcionar la energía necesaria para romper el confinamiento que sufren estas partículas a causa de su carga de color.

Epoca Hadrónica: de los seg a los seg

En esta época se forman los hadrones. No se sabe exáctamente si en esta época o en alguna anterior se hacía patente ya la asimetría materia-antimateria. Posiblemente esto proceda de un efecto de la época GUT.

Epoca Leptonica: de los seg a los seg

En esta época la materia estaba compuesta por hadrones y por leptones y antileptones que estaban en equilibrio. Eso quiere decir que leptones y antileptones estaban continuamente apareciendo y aniquilandose en fotones. Y estos fotones volvían a formar pares leptón-antilepton (a esto se llama en equilibrio térmico en este contexto).

Despues de esto está la nucleo síntesis primordial, los hadrones pesados decaen a partículas más ligeras y los únicos hadrones que sobreviven sustancialmente son protones y neutrones que se organizan en átomos de hidrógneo y helio (y ciertas trazas de litio por ejemplo). Estos núcleos están ionizados, es decir, no tienen electrones ocupando sus capas de energía.

Y alrededor de 30000 años después del primer instante, los átomos se forman, y los fotones viajan libremente, a partir de lo que se llama la superfície de última dispersión. Por tanto, eso es lo que vemos en la radiación cósmica de fondo, una huella de ese justo instante.

Es importante remarcar una cosa, al igual que fotones y materia se desacoplan alrededor de 300000-400000 años despues del primer instante. Los neutrinos hicieron lo propio alrededor de 2seg despues del primer instante. Eso quiere decir que tenemos un fondo cósmico de neutrinos alrededor, sin embargo, la temperatura se estima en 1.5K lo que quiere decir que esos neutrinos son practicamente no interactuantes (a mayor temperatura (energía) del neutrino mayor probabilidad (aunque siempre pequeña comparada con el resto de partículas) de que interactúe). Probablemente no podremos hacer un mapa de dicho fondo de neutrinos, pero afortunadamente su existencia tiene que dejar una huella en el propio fondo cósmico de microondas. (ADemás el desacoplo neutrinos-materia debió de influir en la nucleosíntesis). Así que aunque no haya evidencias directas de su existencia se pueden, y se encuentra, muchas evidencias indirectas que sin su existencia no podrían ser explicadas.