¿Por qué hay más materia que antimateria?

Uno de los grandes misterios de la física es por qué hay más materia que antimateria en el universo. No es algo de lo que nos debamos quejar mucho, porque es, precisamente, lo que hace que el universo exista. Pero entender por qué sucede es una pregunta muy interesante…

No debería haber más materia que antimateria

Uno de los aspectos más fascinantes de la física es preguntarse por qué el universo existe. Todas las partículas que forman la materia que nos compone, como los electrones y protones, tienen versiones de antimateria que son casi idénticas, pero con propiedades inversas. Aspectos como, por ejemplo, una carga eléctrica opuesta. Cuando una partícula de materia y antimateria entran en contacto, se aniquilan. Si materia y antimateria son copias idénticas, deberían haberse producido en cantidades iguales durante el Big Bang…

Es decir, toda la materia y antimateria del universo debería haberse aniquilado mutuamente. Sin embargo, aquí estamos. De algún modo, la materia ganó. En la actualidad, apenas hay antimateria en el universo. La materia es mucho más abundante. La antimateria solo se genera en algunos procesos radiactivos y en una pequeña cantidad de rayos cósmicos. Un grupo de investigadores ha recurrido al experimento LHCb, del Gran Colisionador de Hadrones, para entender las diferencias entre la materia y la antimateria.

Han descubierto una nueva forma por la que puede producirse esa diferencia entre la cantidad de materia y antimateria. La ecuación del movimiento de los electrones del físico Paul Dirac, en 1928, describe el movimiento de los electrones. En un principio, explican, no estaba claro que fuese una anécdota matemática o una auténtica partícula. En 1932, Carl Anderson descubrió el compañero, en la antimateria, del electrón: el positrón. La observó al estudiar los rayos cósmicos que alcanzan la Tierra constantemente desde el espacio.

¿Por qué hubo preferencia por la materia sobre la antimateria?

En las décadas posteriores, los físicos descubrieron que todas las partículas de materia tienen compañeros de antimateria. Se cree que en el inicio, poco después del Big Bang, debió haber procesos que dieron preferencia a la materia sobre la antimateria. Esto permitió que se crease un pequeño exceso de materia. Al enfriarse el universo, la antimateria fue destruida por una cantidad equivalente de materia, dejando ese pequeño exceso de materia. Es ese exceso el que compone todo lo que podemos observar en el universo.

Pero durante mucho tiempo, el origen de ese exceso ha sido un misterio. El comportamiento de los quarks, los bloques básicos de la materia, junto a los leptones, pueden permitir entender las diferencias entre materia y antimateria. Hay quarks de diferentes tipos, quark arriba, abajo, encanto, extraño, fondo y cima, así como los correspondientes anti-quarks. Los quarks arriba y abajo son los que componen los protones y neutrones en los núcleos de la materia ordinaria. El resto de quarks pueden ser producidos en procesos de gran energía.

Es posible encontrarlos en las colisiones de partículas como las que se pueden llevar a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones. Las partículas formadas por un quark y un anti-quark se llaman mesones. Hay cuatro mesones neutrales, que muestran un comportamiento muy llamativo. Son capaces de convertirse en su antipartícula y regresar a su estado original. El fenómeno se observó por primera vez en 1960. Al ser inestables, se deterioran en otras partículas más estables en algún momento del proceso de oscilación.

El comportamiento de los mesones puede ayudar a entender por qué hay más materia que antimateria

Ese deterioro sucede de forma ligeramente diferente, según explican los investigadores, para los mesones y antimesones. Eso, combinado con la oscilación, quiere decir que el ritmo de deterioro cambia con el paso del tiempo. Las reglas para las oscilaciones y deterioro de partículas proceden de un marco teórico llamado el mecanismo de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). Predice que hay una diferencia entre el comportamiento de la materia y la antimateria. Pero es demasiado pequeño para crear un exceso de materia suficientemente grande.

Es decir, no basta para generar el exceso de materia, en la infancia del universo, para que se dé la abundancia observada en la actualidad. Eso quiere decir que hay algo que no se entiende bien, y que podría poner a prueba algunas de las ideas más básicas de la física. Es decir, podría ser una señal de que hay nueva física esperándonos. Los investigadores explican que el resultado del experimento que han llevado a cabo con el experimento LHCb es un estudio de los mesones neutrales B0, analizando su deterioro en pares de mesones K.

Los mesones B0 se crearon al colisionar protones entre sí en el Gran Colisionador de Hadrones, donde oscilan a su antimesón, y de vuelta, tres billones de veces por segundo. Las colisiones también crearon mesones anti-B0 que oscilan de la misma manera, permitiendo tener una buena cantidad de mesones y antimesones con los que realizar comparaciones. Al contar los deterioros de ambas muestras, y comparar las cifras, vieron que la diferencia variaba a medida que progresaba la oscilación. Había más deterioros en un mesón B0…

Una pista para entender mejor el cosmos

Es la primera vez, explican, que se observa que la diferencia en el deterioro del mesón B0 varía en función de la oscilación entre el mesón y su anti-mesón. Es algo que supone un gran paso en el estudio de las diferencias entre materia y antimateria. También han logrado medir el tamaño de las asimetrías. Algo que permite llevar a cabo mediciones de diferentes parámetros relacionados con la teoría que describe todo este proceso. Al comparar los resultados, con otras mediciones, se puede comprobar si encajan con lo que cabría esperar.

Es decir, es una forma de validad que la teoría, actualmente aceptada, es una descripción correcta de lo que sucede en la naturaleza. A escala microscópica, hay una pequeña preferencia de materia sobre antimateria, que no puede explicar la abundancia de materia que se observa en el cosmos. Por lo que parece lógico suponer que, simplemente, esa teoría es una aproximación de un marco mucho más complejo y básico. Por lo que el estudio de fenómenos como las oscilaciones de los mesones puede ser una herramienta clave.

Al analizar el mecanismo que provocar que se provoque un exceso de materia frente a la antimateria, poniéndolo a prueba de diferentes ángulos, puede permitir entender dónde está el problema. Como dicen los investigadores, el estudio del mundo en la escala más pequeña es la mejor posibilidad de entender por qué, a gran escala, el mundo es como es. No menos interesante es el hecho de que se trata de una pista más sobre esa tentadora idea de que podría haber física nueva esperándonos. Todavía no se ha descubierto, pero quizá pase en algún momento…

Estudio

El estudio es LHCb Collaboration; «Observation of CP violation in two-body B0(s)-meson decays to charged pions and kaons». Puede consultarse la versión preliminar en arXiv, en este enlace.

Referencias: The Conversation