Poco después del Big Bang se formaron el hidrógeno y el helio que componen la materia ordinaria del universo, pero aún así éstos no son las partículas más abundantes del universo. Ese mérito lo tienen los fotones y neutrinos que se formaron tras los primeros instantes del universo.
El universo es gigantesco y aunque esté esencialmente vacío, contiene una cantidad inimaginablemente grande de partículas de todo tipo. Estas partículas se formaron, la mayoría de ellas, cuando el universo era mucho más joven. En los inicios el universo era una sopa de partículas increíblemente caliente y densa. Estas partículas estaban en constante creación y destrucción, pero al enfriarse el universo pudieron asentarse. En diferentes momentos aparecieron los electrones, neutrinos, fotones, protones o neutrones. Aparecieron muchas partículas más, pero sus vidas eran tan cortas que pronto decayeron a alguna de las anteriores.
Cuando el universo tenía unos pocos minutos de edad los protones y neutrones que lo formaban se enfriaron lo suficiente como para empezara combinarse en diferentes núcleos atómicos sin romperse inmediatamente después. Sin embargo este periodo de nucleosíntesis (así se le llama) fue tan breve, durando apenas 15 ó 20 minutos, que solo dio tiempo a formar algunos núcleos de helio y poquísimos núcleos de litio. Como consecuencia, la mayor parte de la materia del universo está formada, aún a día de hoy, de hidrógeno y helio. Los átomos de hidrógeno suponen alrededor del 90 % del total de átomos que componen el universo, mientras que el helio supone casi la totalidad de lo que resta para llegar al 100 %. Desde aquél periodo de intensa nucleosíntesis tras el Big Bang, los nuevos elementos químicos se han formado en el interior de las estrellas o en algún proceso durante o tras su muerte. Es así como han llegado a formarse el carbono, oxígeno y nitrógeno que forman nuestro cuerpo o el hierro, magnesio o silicio que componen la Tierra.
Sin embargo, a pesar de que toda la materia que somos capaces de ver en el universo está formada principalmente de estos dos elementos, hidrógeno y helio, ellos no son, ni de lejos, las partículas más abundantes del universo. Tampoco lo son los protones o neutrones que los componen. Antes de que se formaran los núcleos atómicos más ligeros, se formaron partículas más ligeras. De entre ellas, destacan dos: los fotones y los neutrinos, que tuvieron destinos muy diferentes.
Los fotones son las partículas de la luz. No tienen masa e interaccionan por medio de la interacción electromagnética. Lo que eso significa a grandes rasgos es que son capaces de chocar con las partículas con carga eléctrica e ignoran a las demás. Los neutrinos por otro lado son partículas muy ligeras, al menos un millón de veces más ligeras que el electrón y solo interaccionan por medio de la interacción débil. Esta interacción es de muy corto alcance, por lo que las partículas que la sienten deben acercarse a distancias pequeñísimas para sentirla. Es este el motivo por el que los neutrinos son partículas tan elusivas. A pesar de que trillones de ellos atraviesan nuestro cuerpo y nuestro planeta provenientes del Sol y de otros astros más lejanos, no somos capaces de sentirlas y nuestros detectores más potentes y sensibles apenas detectan unos cuantos neutrinos al año.
Cuando el universo tenía aproximadamente un segundo de edad y todavía estaba demasiado caliente como para permitir incluso que protones y neutrones formaran diferentes núcleos atómicos (algo que ni siquiera ocurre en el interior del Sol), se hizo transparente para los neutrinos. Hasta ese momento estas partículas habían estado interaccionando constantemente con el resto de partículas del universo, pero llegados a ese punto la densidad y la temperatura bajaron lo suficiente como para permitir a los neutrinos viajar con la relativa libertad. Esta transición no ocurrió de manera instantánea, lo que tiene consecuencias importantísimas. Lo que nos importa aquí sin embargo es que en aquel momento se estableció la cantidad aproximada de neutrinos del universo. Desde entonces se han creado más, por supuesto, pero creemos que no deberían ser más que una pequeña contribución a aquella marea inicial.
Si el universo se volvió transparente para los neutrinos con un segundo de edad, lo mismo no ocurriría para los fotones hasta 370 000 años después. Hasta ese momento, los núcleos atómicos, electrones y fotones tenían suficiente energía como para estar chocando constantemente. Cuando se formaba un átomo neutro, aparecía un fotón capaz de ionizarlo. En este ambiente, los fotones no podían viajar mucho tiempo sin interaccionar con otra partícula. Pero alrededor de esos 370 000 años de edad del universo, la energía de las partículas bajó lo suficiente como para que al chocar no consiguieran ionizar los átomos formados. Esto hizo que el universo se volviera transparente a los fotones, que pudieron seguir viajando sin chocar con nada. Los fotones emitidos en aquél momento forman lo que hoy conocemos como el Fondo Cósmico de Microondas. Se han formado más fotones desde entonces, pero la mayoría de ellos se emitieron hace mucho tiempo.
Con todo se estima que la cantidad de neutrinos en el universo está en torno a los 336 neutrinos por centímetro cúbico (112 por cada sabor de neutrino: electrónico, muónico y tauónico). La cantidad de fotones tendría un valor ligeramente superior, en torno a los 410 fotones por centímetro cúbico del universo. Esto significa que la cantidad total de neutrinos y fotones supera con creces la cantidad de átomos de hidrógeno o de protones en varios quintillones y que el fotón es la partícula más abundante del universo.
Esta respuesta podría cambiar en el futuro, en función de los descubrimientos que hagamos sobre la materia oscura. Si la mayoría de la contribución a este tipo de materia correspondiera a un tipo de partícula concreto, su cantidad podría superar a la de fotones y neutrinos, pues recordemos que existen unas 5 veces mayor cantidad de materia oscura que de materia ordinaria.
Referencias:
Cyburt, Richard; et al. (2005). "New BBN limits on physics beyond the standard model from He-4". Astroparticle Physics. 23 (3): doi:10.1016/j.astropartphys.2005.01.005
Mangano, Gianpiero; et al. (PTOLEMY collaboration) (2019). "Neutrino physics with the PTOLEMY project". Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 07: 047. doi:10.1088/1475-7516/2019/07/047
Planck Collaboration (2016). "Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters (See Table 4 on page 31 of pfd)". Astronomy & Astrophysics. 594 (13): doi:10.1051/0004-6361/201525830
