La victoria de la materia

Nuestras teorías sobre las leyes de la física que rigen el universo dicen que la materia que se formó debió estar acompañada por la misma cantidad de antimateria. Como quizá intuyas por su nombre, materia y antimateria son opuestos y se aniquilan mutuamente, pero, por algún motivo, la materia ganó y estamos aquí. Puede que ahora estemos empezando a comprender el por qué…

El secreto está en los neutrinos

Imagen del observatorio de Super-Kamiokande.
Crédito: Kamioka Observatory/ICRR(Institute for Cosmic Ray Research)/The University of Tokyo

No es posible crear un planeta o una persona a partir de la luz. Necesitamos materia, partículas estables y pesadas, como protones y neutrones. Sin embargo, parece un accidente extraordinario que la materia exista. La materia y la antimateria se aniquilan al entrar en contacto, generando un par de fotones de alta energía. Si la teoría fuese cierta, y la conclusión se hubiese cumplido, no estaríamos aquí y el universo sería, simplemente, un lugar lleno de radiación.

Ahora, los resultados de varios experimentos diseñados para estudiar el comportamiento de los neutrinos (unas partículas que apenas interaccionan con el resto del universo) nos pueden permitir entender por qué tuvimos la fortuna de que la materia ganase y permitiese que las galaxias, estrellas, planetas y, eventualmente, los seres humanos, pudiesen aparecer. Los neutrinos tienen su equivalente en la antimateria, los antineutrinos (también los elementos, existe el antihidrógeno, por ejemplo), y todos aparecen en tres variedades: neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tauónico. Varios experimentos han desvelado que los neutrinos pueden cambiar espontáneamente entre esas tres variedades en un fenómeno que se llama oscilación.

El experimento T2K, en Japón, observa estas oscilaciones a medida que los neutrinos viajan entre el acelerador J-PARC, en la región de Tokai, y el detector de neutrinos Super-Kamiokande en Kamioka, a 295 kilómetros de distancia. Comenzó a funcionar en febrero de 2010, pero tuvo que ser desconectado durante varios años debido al terrible terremoto que sacudió el país en 2011 (y trajo consigo un tsunami cuyos efectos pudimos ver en las televisiones de todo el mundo).

La metamorfosis del neutrino

El Sol produce 60.000 millones de neutrinos por centímetro cuadrado por segundo.
Crédito: NASA

En 2013, el equipo anunció que habían visto 28 neutrinos muónicos que partieron del acelerador J-PARC y se habían convertido en neutrinos electrónicos cuando habían llegado a Super-Kamiokande. Fue la primera confirmación de que la metamorfosis estaba sucediendo. Después de aquello, repitieron el experimento con antineutrinos muónicos, para ver si había alguna diferencia en cómo oscilan las partículas ordinarias y sus contrapartidas en antimateria. Una idea, llamada simetría CP (carga-paridad), dice que la cantidad de antineutrinos que se transforman debería ser similar.

La simetría CP es la noción de que, si cambiásemos todas las partículas por sus respectivas antipartículas, la física permanecería inalterada. Parece ser cierta para casi todas las interacciones e implica que el universo debería haber producido la misma cantidad de materia y antimateria en el big bang. Como la materia y la antimateria se destruyen mutuamente, si la simetría CP se cumpliese, ambas hubiesen desaparecido tras emitir un poco de radiación en los inicios de la historia del universo, mucho antes de que la materia tuviese la oportunidad de acumularse en algo sólido.

Sabemos que eso no es lo que sucedió, pero no tenemos ni idea de por qué, así que encontrar desviaciones de esa simetría CP puede ayudarnos a explicarlo. Para crear más materia que antimateria en el universo, es necesario que haya un proceso que viole la simetría CP, y eso es lo que están buscando los investigadores en este momento.

Explicando por qué estamos aquí

Conocemos una de esas desviaciones. Las interacciones entre los diferentes tipos de quark (que son partículas que forman los protones y neutrones de los átomos), pero su diferencia no es lo suficientemente grande como para explicar por qué la materia dominó por encima de lo demás. Las oscilaciones de neutrinos parecen una buena salida para poder buscar otras desviaciones de la simetría CP.

Los últimos resultados del proyecto T2K se anunciaron recientemente en una conferencia en Londres: Han observado 32 neutrinos muónicos transformarse en electrónicos, mientras que sólo han visto 4 antineutrinos muónicos convertirse en la variedad anti-electrónica. Si la simetría CP se cumple, esto sería más materia y menos antimateria de lo que se esperaría ver. Aunque la cantidad de detecciones es pequeña, sólo hay un 5% de posibilidades de que T2K viese estas diferencias si la simetría CP se mantuviese durante el proceso.

Todavía estamos lejos de que los físicos de partículas anuncien un descubrimiento, y de momento sólo estamos en los primeros pasos de la investigación, que indicaría que los neutrinos no respetan esa paridad CP. Con la ayuda de otros experimentos con antineutrinos, que tendrán lugar a lo largo del próximo año, podremos estar más cerca de saber si este es uno de los motivos por los que estamos aquí o si, por contra, seguimos sin saber por qué la materia no se desintegró con la antimateria tras el Big Bang…

Fuente: Newscientist