¿Por qué existimos? Esta es quizás la pregunta más profunda que puede parecer completamente fuera del alcance de la física de partículas. Pero nuestro nuevo experimento en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN nos ha acercado a la respuesta. Para entender por qué existimos, primero debes ir hace 13.800 millones de años, en la época del Big Bang. Este evento produjo una cantidad igual de la sustancia de la que estamos hechos y de antimateria.
Se cree que cada partícula tiene un compañero de antimateria, que es casi idéntico a él, pero tiene la carga opuesta. Cuando una partícula y su antipartícula se encuentran, se aniquilan, desaparecen en un destello de luz.
¿Dónde está toda la antimateria?
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Por qué el universo que vemos está compuesto enteramente de materia es uno de los mayores misterios de la física moderna. Si alguna vez hubiera una cantidad igual de antimateria, todo en el universo se aniquilaría. Y así, un estudio publicado recientemente parece haber encontrado una nueva fuente de asimetría entre materia y antimateria.
Arthur Schuster fue el primero en hablar de antimateria en 1896, luego en 1928 Paul Dirac le dio una base teórica, y en 1932 Karl Anderson la descubrió en forma de antielectrones, que se denominan positrones. Los positrones nacen en procesos radiactivos naturales, como la desintegración del potasio-40. Esto significa que un plátano normal (que contiene potasio) emite un positrón cada 75 minutos. Luego se aniquila con electrones en la materia, produciendo luz. Las aplicaciones médicas como los escáneres PET también producen antimateria en un proceso similar.
Los principales bloques de construcción de la sustancia de la que se componen los átomos son partículas elementales: quarks y leptones. Hay seis tipos de quarks: arriba, abajo, extraño, encantado, verdadero y hermoso. Asimismo, hay seis leptones: electrón, muón, tau y tres tipos de neutrinos. También hay copias antimateriales de estas doce partículas, que solo difieren en su carga.
Las partículas de antimateria, en principio, deberían ser la imagen especular perfecta de sus satélites normales. Pero los experimentos muestran que este no es siempre el caso. Tomemos, por ejemplo, las partículas conocidas como mesones, que se componen de un quark y un antiquark. Los mesones neutros tienen una característica asombrosa: pueden convertirse espontáneamente en su anti-mesón y viceversa. En este proceso, un quark se convierte en un antiquark o un antiquark se convierte en un quark. Sin embargo, los experimentos han demostrado que esto puede suceder con más frecuencia en una dirección que en otra, como resultado de lo cual hay más materia a lo largo del tiempo que antimateria.
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La tercera vez es mágica
Entre las partículas que contienen quarks, tales asimetrías se encontraron solo en quarks extraños y hermosos, y estos descubrimientos se volvieron extremadamente importantes. La primera observación de asimetría que involucraba partículas extrañas en 1964 permitió a los teóricos predecir la existencia de seis quarks, en un momento en el que solo se sabía que existían tres. El descubrimiento de la asimetría en partículas hermosas en 2001 fue la confirmación final del mecanismo que condujo a la imagen de los seis quarks. Ambos descubrimientos ganaron premios Nobel.
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Tanto los quarks extraños como los hermosos llevan cargas eléctricas negativas. El único quark cargado positivamente que, en teoría, debería poder formar partículas que pueden exhibir una asimetría de materia y antimateria es el encantado. La teoría sugiere que él hace esto, su efecto debería ser insignificante y difícil de encontrar.
Pero el experimento LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones pudo observar tal asimetría en partículas llamadas mesones D, que están compuestos por quarks encantados, por primera vez. Esto es posible gracias a la cantidad sin precedentes de partículas encantadas producidas directamente en las colisiones en el LHC. El resultado muestra que la probabilidad de que se trate de una fluctuación estadística es de 50 por mil millones.
Si esta asimetría no nace del mismo mecanismo que conduce a las asimetrías de quarks extraños y hermosos, hay lugar para nuevas fuentes de asimetría de materia-antimateria, que podrían sumarse a la asimetría general de los del Universo. Y esto es importante, ya que varios casos conocidos de asimetría no pueden explicar por qué hay tanta materia en el universo. El descubrimiento del quark charm por sí solo no será suficiente para resolver este problema, pero es una pieza importante del rompecabezas para comprender las interacciones fundamentales de las partículas.
Próximos pasos
A este descubrimiento le seguirá un aumento en el número de trabajos teóricos que ayuden en la interpretación del resultado. Pero lo que es más importante, describirá más pruebas para profundizar nuestra comprensión de nuestro descubrimiento, y algunas de esas pruebas ya están en progreso.
En la próxima década, el experimento LHCb actualizado aumentará la sensibilidad de tales mediciones. Se complementará con el experimento Belle II en Japón, que apenas está comenzando.
La antimateria también está en el centro de otros experimentos. Los antiatómicos completos se producen en el moderador de antiprotones del CERN y proporcionan una gama de experimentos de medición de alta precisión. El experimento AMS-2 a bordo de la Estación Espacial Internacional está en busca de antimateria derivada del espacio. Una serie de experimentos actuales y futuros se dedicarán a la cuestión de si existe una asimetría materia-antimateria entre los neutrinos.
Aunque todavía no podemos desentrañar por completo el misterio de la asimetría de la materia y la antimateria, nuestro último descubrimiento abrió la puerta a una era de mediciones precisas que pueden revelar fenómenos aún desconocidos. Hay muchas razones para creer que algún día los físicos podrán explicar por qué estamos aquí.
Ilya Khel
