Cosmología

¿Por qué el Universo está hecho de materia y no de antimateria? El nuevo experimento da una pista tentadora.

2024

Los científicos que disparan neutrinos a través de la Tierra pueden han dado un paso decente para responder a una de las preguntas más básicas y agravantes que nos ha hecho el Universo: ¿Por qué todo está hecho de materia y no de antimateria?

Oh, conoces el término antimateria . Un elemento básico de la ciencia ficción, que incluye Star Trek , es lo mismo que la materia pero con una carga eléctrica opuesta. Entonces, un anti-electrón, llamado positrón, tiene exactamente las mismas propiedades que un electrón, pero tiene una carga eléctrica positiva en lugar de una negativa. Un anti-protón es como un protón pero con carga negativa, etc.

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Otra propiedad divertida de la antimateria es que si tomas una partícula y su antipartícula y las juntas, explota. Big, big bang: se convierten en energía pura. A lote de energía. Si me encontrara con anti-Phil y decidiéramos bailar, estallaríamos con la misma energía que 3500 bombas nucleares de un megatón .

La antimateria no es mala, pero no quieres unirla con la materia. Crédito: Phil Plait

Y eso es un problema (además de arruinar una rave). Verá, de acuerdo con las leyes de la física tal como las entendemos, cuando el Universo era muy joven, con solo unos minutos de vida. y su temperatura bajó lo suficiente a medida que se expandía , debería haber creado cantidades iguales de materia y antimateria.

Pero si eso fuera cierto, cada partícula se habría encontrado con su antipartícula, y ka blam . No debería haber materia ni antimateria en absoluto en el cosmos. Todos habrían aniquilado. Y sin embargo, aquí estamos.

En realidad, los dos no eran iguales. Por cada mil millones de pares de partículas de materia / antimateria, quedaba una partícula de materia sobrante. No mucho, pero lo suficiente para dar cuenta de todas las galaxias, estrellas, planetas, personas y tazas de té Earl Grey que vemos hoy después de que todos los demás pares fueran aniquilados.

¿Pero por qué? ¿Por qué la asimetría?

Debe ser que nuestras leyes de simetría materia / antimateria se violan de alguna manera, que la antimateria no es exactamente como la materia de alguna manera. ¿Pero que?

Los científicos han estado buscando esta asimetría durante mucho tiempo. . La física detallada es interesante: hay una explicación fantástica de esto en el sitio del experimento DAEδALUS - pero no lo necesitas todo para entender el siguiente bit, que es lo que están haciendo los científicos para encontrarlo.

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Bien, hagamos un viaje lateral aquí por un segundo. Hay otro tipo de partícula subatómica llamada neutrino. Tiene muchas propiedades extrañas, como ser capaz de atravesar una gran cantidad de materia normal como si no estuviera allí; simplemente no interactúa mucho con la materia. Un poquito, pero no mucho. También vienen en tres sabores diferentes, llamados neutrinos muón, electrónico y tau. Un tipo de neutrino puede transformarse espontáneamente en otro tipo a medida que viaja por el espacio.

Y la razón por la que los menciono aquí es que cuando revisas las ecuaciones increíblemente complejas que gobiernan a los neutrinos y sus equivalentes de antimateria, encuentras un indicio de que es posible que no actúen de la misma manera. De hecho, puede haber una asimetría allí, así que ahí es donde los científicos han concentrado sus esfuerzos.

Y aquí es donde llegamos a la parte muy interesante: los científicos con la colaboración T2K acaba de anunciar Es posible que hayan medido esta violación de simetría en neutrinos. . Los resultados no son sólidos como una roca, pero son muy interesantes.

El experimento consiste en crear un rayo de neutrinos muónicos y dispararlo desde el Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón (JPARC) a través de la Tierra sólida a 295 kilómetros de distancia hasta el detector de neutrinos Super-Kamiokande.

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Hacen esto acelerando protones en una muestra de carbono, que luego arrojan neutrinos muónicos en un rayo que apunta a Super-Kamiokande. Cuando lleguen allí un milisegundo después (!!), muy, muy pocos de estos neutrinos golpearán un átomo en las 50.000 toneladas de agua sumamente pura almacenada en un tanque y crear un muón, otro tipo de partícula. Sin embargo, la mayoría de los neutrinos lo atraviesan, razón por la cual se han necesitado 20 años de golpear carbono con protones para obtener resultados.

Pero algunos de ellos cambian de sabor, volviéndose electrón neutrinos en ese corto tiempo antes de que lleguen al tanque de agua. Cuando eso sucede, golpean los átomos en el tanque y crean un electrón en lugar de un muón.

Además, JPARC puede crear muon anti neutrinos también. Ocurre lo mismo: algunos producen muones en el tanque y otros se transforman en antineutrinos electrónicos y producen electrones.

Encontrar antimateria es fácil si conoce las pistas que debe buscar. Crédito: Shutterstock / Phil Plait

Si se mantiene la simetría materia / antimateria, entonces la proporción de muones a electrones generados por los neutrinos debería ser la misma que para los antineutrinos. ¡Pero lo que encontraron es que la proporción parece ser diferente! Los neutrinos muónicos parecen convertirse en neutrinos electrónicos más que sus contrapartes de antimateria.

Muy grande, si es cierto.

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¿Las leyes de la física distinguen entre materia y antimateria? Este experimento sugiere que la respuesta es sí. El problema es que no es definitivo. El estándar de oro es que, estadísticamente, tiene un 99,7% de confianza en un resultado (llamado estándar 5-sigma). Este resultado tiene un número bajo de resultados, lo que proporciona una certeza estadística de 'solo' el 95% (3 sigma). Es muy provocativo, pero no concreto, y todavía no se puede llamar descubrimiento.

Oh, pero es taaaan tentadora.

En las diabólicas ecuaciones que gobiernan el comportamiento de los neutrinos se está probando un parámetro llamado delta-CP; si hay una diferencia entre materia y antimateria, es en ese número. Puede adoptar muchos valores en teoría, pero este experimento parece excluir aproximadamente la mitad de ellos en la práctica. Eso reduce exactamente dónde los científicos deben mirar en las ecuaciones para ver cómo se comporta el Universo, por qué prefiere la materia a la antimateria. Se necesita mucho más trabajo, pero estos resultados parecen al menos apuntar en una dirección a seguir, que es más de lo que teníamos antes.

Y oye: en el camino de la comprensión solo por qué al cosmos le gusta un tipo de partícula sobre otra, podemos descubrir cómo para hacer uno sobre el otro. Y entonces, ¿quién sabe adónde seremos capaces de ir con valentía?