El experimento que da pistas sobre uno de los mayores enigmas cósmicos: por qué en el Universo hay más materia que antimateria

La naturaleza de esta peculiaridad, lo que le permitió la materia dominar el Universo a costa de la antimateria, aún es un misterio.

Pero ahora, los resultados de un experimento en Japón podrían ayudar a los investigadores a resolver el enigma, uno de los más grandes de la ciencia.

El hallazgo apunta a una diferencia entre el comportamiento de las partículas de materia y antimateria.

Un misterio de larga data

El mundo con el que estamos familiarizados, incluyendo los objetos de la vida cotidiana que podemos tocar, está hecho de materia.

Los “ladrillos” que conforman esa materia son partículas subatómicas como electrones, quarks y neutrinos.

Pero la materia tiene una oscura contraparte llamada antimateria. Cada partícula subatómica de materia tiene una correspondiente antipartícula.

Hoy, hay mucha más materia que antimateria en el Universo. Pero no siempre fue así.

Se supone que el Big Bang debió haber creado materia y antimateria en cantidades iguales.

“Cuando los físicos crean nuevas partículas en los aceleradores, siempre encuentran que producen pares de partículas-antipartículas: por cada electrón negativo, un positrón con carga positiva (la contraparte de antimateria del electrón)”, dice Lee Thompson, profesor de la Universidad de Sheffield y miembro T2K, un experimento en el que científicos de varios países miden las oscilaciones de neutrinos.

“Entonces, ¿por qué el 50% del Universo no es antimateria? Este es un problema de larga data en cosmología: ¿qué le sucedió a la antimateria?”, se pregunta Thompson.

Cuando una partícula de materia se encuentra con su antipartícula se “aniquilan”, desaparecen en un destello de energía.

Durante las primeras fracciones de segundo del Big Bang, el universo caliente y denso burbujeaba con parejas de partículas-antipartículas apareciendo y desapareciendo.

Si no hubiera intervenido algún mecanismo desconocido, el Universo no sería más que un cúmulo de energía sobrante.

“Sería bastante aburrido y no estaríamos aquí”, le dice a la BBC Stefan Söldner-Rembold, jefe del grupo de física de partículas de la Universidad de Manchester.

¿Qué hizo inclinar la balanza?

La clave para resolver este misterio es el experimento T2K.

Este experimento se desarrolla en el observatorio de neutrinos Super-Kamiokande, construido de manera subterránea en la región de Kamioka, en Japón.

Desde un detector ubicado en Kamioka, los investigadores pudieron observar la formación de neutrinos y antineutrinos a 295 km de distancia, en un acelerador de protones ubicado en Tokai.

De ahí que el experimento se llame T2K, que significa “de Tokai a Kamioka”.

A medida que viajan bajo tierra, las partículas y antipartículas oscilan entre diferentes propiedades físicas, conocidas como sabores.

Los físicos creen que encontrar una diferencia, o asimetría, entre las propiedades físicas de neutrinos y antineutrinos podría ayudarnos a comprender por qué la materia es tan abundante en comparación con la antimateria.

Esta asimetría se conoce como violación de conjugación de carga y reversión de la paridad (CP).

La violación de CP es una de las tres condiciones que deben cumplirse para producir materia y antimateria en proporciones desiguales, según planteó el físico ruso Andrei Sakharov en 1967.

Después de analizar datos recopilados durante 9 años, los investigadores encontraron una falta de coincidencia en la forma en que oscilan los neutrinos y los antineutrinos, ya que llegaban al Super Kamiokande con un sabor diferente del que habían sido creados.

El resultado también logró un nivel de relevancia estadística conocido como “sigma tres”, que significa que es lo suficientemente alto como para indicar que entre esas partículas hubo una violación de CP.

“Si bien la violación de CP entre quarks está bien establecida a nivel experimental, nunca se ha observado en neutrinos”, dice Söldner-Rembold.

“La violación de la simetría de la CP es una de las condiciones de Sakharov para que exista un universo dominado por la materia, pero infortunadamente el efecto impulsado por el quark es demasiado pequeño para explicar por qué nuestro Universo está lleno principalmente de materia”.

“Descubrir la violación de la CP con neutrinos sería un gran avance para comprender cómo se formó el Universo”.

Söldner-Rembold sostiene que una teoría llamada leptogénesis vincula la predominancia de la materia con la violación de la CP que involucra neutrinos.

“Estos modelos de leptogénesis predicen que la predominancia de la materia se debe realmente al sector de los neutrinos. Si se observara la violación de la CP de neutrinos, eso nos daría una fuerte indicación de que el modelo de leptogénesis es el camino a seguir”, dice Söldner-Rembold.

Los resultados de T2K “dan fuertes indicios” de que la violación de la CP entre neutrinos podría darse a gran escala, un efecto que podría observarse con un experimento que se prepara en el acelerador Fermilab, en Estados Unidos.

Söldner-Rembold agrega que el resultado T2K “nos acerca un paso más a tener un modelo que explique cómo evolucionó el Universo desde su inicio hasta llegar a ser el de hoy, en el que domina la materia”.