¿Por qué existimos? Esta es posiblemente la pregunta más profunda que existe y 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 llevado un paso más cerca de descubrirlo. Para entender por qué, retrocedamos en el tiempo unos 13.800 millones de años hasta el Big Bang. Este evento produjo cantidades iguales de la materia de la que está hecho y algo que se llama antimateria.

Se cree que cada partícula tiene un compañero de antimateria que es virtualmente idéntico a sí mismo, pero con la carga opuesta. Cuando una partícula y su antipartícula se encuentran, se aniquilan mutuamente, desapareciendo en un estallido de luz.

Por qué el Universo que vemos hoy está hecho enteramente de materia es uno de los misterios más grandes de la física moderna. Si hubiera habido una cantidad igual de antimateria, todo en el Universo habría sido aniquilado. La investigación ha revelado una nueva fuente de esta asimetría entre la materia y la antimateria.

La antimateria fue postulada por primera vez por Arthur Schuster en 1896, dada por Paul Dirac en 1928, y descubierta en forma de anti-electrones, llamados positrones, por Carl Anderson en 1932. Los positrones ocurren en procesos radiactivos naturales, como en La desintegración del potasio-40.

Esto significa que su plátano promedio (que contiene potasio) emite un positrón cada 75 minutos. Estos luego se aniquilan con electrones de materia para producir luz. Las aplicaciones médicas como los escáneres PET producen antimateria en el mismo proceso.

Los bloques de construcción fundamentales de la materia que forman los átomos son partículas elementales llamadas quarks y leptones. Hay seis tipos de quarks: arriba, abajo, extraño, encanto, inferior y superior.

De manera similar, hay seis leptones: el electrón, el muón, el tau y los tres neutrinos. También hay copias de antimateria de estas doce partículas que difieren solo en su carga. Las partículas de antimateria, en principio, deben ser imágenes espejo perfectas de sus compañeros normales.

Pero los experimentos demuestran que esto no es siempre el caso. Tomemos, por ejemplo, partículas conocidas como mesones, que están hechas de un quark y un antiquark. Los mesones neutros tienen una característica fascinante: pueden convertirse espontáneamente en su anti-mesón y viceversa.

En este proceso, el quark se convierte en un anti-quark o el antiquark se convierte en un quark. Pero los experimentos han demostrado que esto puede suceder más en una dirección que en la opuesta, creando más materia que antimateria con el tiempo.

Entre las partículas que contienen quarks, solo se encontró que aquellas que incluyen quarks extraños y de fondo exhiben tales asimetrías, y estos fueron descubrimientos sumamente importantes.

La primera observación de asimetría con partículas extrañas en 1964 permitió a los teóricos predecir la existencia de seis quarks, en un momento en que solo se sabía que existían tres.

El descubrimiento de la asimetría en las partículas del fondo en 2001 fue la confirmación final del mecanismo que condujo a la imagen de los seis quarks. Ambos descubrimientos llevaron a los premios Nobel.

Tanto el quark extraño como el inferior lleva una carga eléctrica negativa. El único quark cargado positivamente que en teoría debería poder formar partículas que pueden exhibir asimetría de materia y antimateria es el encanto. La teoría sugiere que, si lo hace, entonces el efecto debería ser pequeño y difícil de detectar.

Pero el experimento LHCb ahora ha logrado observar tal asimetría en partículas llamadas D-mesón, que están compuestas de quarks de encanto, por primera vez. Esto es posible gracias a la cantidad sin precedentes de partículas de hechizo producidas directamente en las colisiones de LHC, que inicié hace una década.

El resultado indica que la probabilidad de que esto sea una fluctuación estadística es de alrededor de 50 en mil millones. Si esta asimetría no proviene del mismo mecanismo que causa las asimetrías de quark extrañas y de abajo, esto deja espacio para nuevas fuentes de asimetría de materia y antimateria que pueden agregarse a la asimetría total en el universo temprano.

Y eso es importante ya que los pocos casos conocidos de asimetría no pueden explicar por qué el universo contiene tanta materia. El descubrimiento por sí solo no será suficiente para llenar este vacío, pero es una pieza de rompecabezas esencial en la comprensión de las interacciones de las partículas fundamentales.

El descubrimiento irá seguido de un mayor número de trabajos teóricos, que ayuden a interpretar el resultado. Pero lo que es más importante, esbozará pruebas adicionales para profundizar la comprensión después de nuestro descubrimiento, con una serie de pruebas de este tipo ya en curso.

En la próxima década, el experimento LHCb mejorado aumentará la sensibilidad para este tipo de mediciones. Esto se complementará con el experimento Belle II, con sede en Japón, que apenas ha empezado a funcionar. Estas son perspectivas interesantes para la investigación sobre asimetría de materia y antimateria.

La antimateria también está en el centro de una serie de otros experimentos. Se están produciendo anti átomos completos en el desacelerador anti protónico del CERN, que alimenta una serie de experimentos que realizan mediciones de alta precisión.

El experimento AMS-2 a bordo de la Estación Espacial Internacional está en busca de antimateria de origen cósmico. Y una serie de experimentos actuales y futuros abordarán la cuestión de si hay asimetría antimateria-materia entre los neutrinos.

Si bien aún no podemos resolver completamente el misterio de la asimetría de materia y antimateria del universo, este último descubrimiento ha abierto las puertas a una era de mediciones de precisión que tienen el potencial de descubrir fenómenos aún desconocidos.

“Hay muchas razones para ser optimistas de que la física algún día podrá explicar por qué estamos aquí”. Marco Gersbeck, profesor de Física, Universidad de Manchester.

Fuente: The Conversation

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