MATERIA EN EL UNIVERSO

En nuestra vida diaria, estamos acostumbrados a interactuar constantemente con objetos sólidos. Desde las bolsas de la compra a los automóviles, las casas, nuestros vecinos o el suelo mismo que pisamos, todo a nuestro alrededor es masivo y consistente. Pero no hay que llevarse a engaño. La existencia misma de materia en el Universo es una de las cuestiones que más atormentan a los físicos. ¿La razón? Porque, sencillamente, tal cosa no debería existir.

Durante el Big Bang, en efecto, debió de producirse exactamente la misma cantidad de materia que de antimateria. Una partícula de antimateria es igual a su correspondiente partícula de materia, con la única diferencia de que posee la carga eléctrica contraria. La «antipartícula» del electrón, por ejemplo, e el positrón. De igual modo, tenemos antiprotones, antineutrones, antineutrinos.

Casi todas las partículas que existen en la Naturaleza tienen una antipartícula asociada. Y cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, el resultado es inevitable: las dos se destruyen de forma instantánea en una pequeña explosión de energía.

Es decir, que en el origen del Universo todas las partículas creadas habrían tenido que aniquilarse con sus correspondientes antipartículas. Y la materia, por lo tanto, no debería existir.

Sin embargo, basta con echar un vistazo a nuestro alrededor para ver que eso no ha sucedido. Formamos parte de un planeta hecho de materia, alrededor de un Sol hecho de materia, dentro de una galaxia hecha de materia. Y hasta donde alcanzan los telescopios, billones de galaxias hechas de materia se distribuyen a lo largo de todo el firmamento. Pero ni rastro de la antimateria correspondiente.

Algo debió suceder

Evidentemente, algo no cuadra. Y si existe la misma cantidad de materia que de antimateria, ¿dónde está la antimateria que aparentemente falta en el Universo? ¿Por qué no podemos ver, por ejemplo, estrellas o incluso galaxias enteras hechas de antimateria? Algo debió de suceder, en el principio de los tiempos, para que la simetría se rompiera y el Big Bang «fabricará» más partículas que antipartículas, más materia que antimateria.

De este modo, toda la antimateria se habría destruido al encontrarse con la inmensa mayor parte de la materia creada en el Big Bang, tal y como predicen las teorías, dejando atrás ese pequeño exceso de materia que dio origen a todo lo que hoy podemos ver. Algunos cálculos indican que para que el Universo sea tal y como es, habría bastado un exceso de materia de una sola partícula por cada billón.

Por supuesto,y aunque resulta difícil verla en la naturaleza, es perfectamente posible fabricar partículas de antimateria en un laboratorio. Los físicos lo han hecho muchas veces, aunque para estudiarlas se han visto obligados a construir trampas electromagnéticas capaces de contenerlas. Ningún recipiente material, en efecto, podría hacerlo, ya que la antipartícula quedaría destruida en el momento mismo de entrar en contacto con cualquier partícula del recipiente.

La cuestión, pues, lleva atormentando a los científicos desde hace décadas, y nadie hasta ahora ha encontrado una respuesta a un misterio que afecta directamente a nuestra propia existencia.

Un estudio prometedor

Ahora, sin embargo, un equipo de investigadores liderado por físicos de la universidad japonesa de Kanazawa ha dado un importante paso en este sentido, proponiendo un nuevo marco matemático para comprender mejor las propiedades de un tipo de partícula que podría tener todas las respuestas: el neutrino. El trabajo, recién publicado en «Physical review D» podría, de hecho, ayudar a los cosmólogos a explicar la aparente paradoja de la existencia de materia en el Universo.

Todo lo que sabemos sobre la materia y las leyes que gobiernan su comportamiento se recoge en una de las teorías más exitosas de todos los tiempos, el Modelo Estándar de la Física de partículas. Formulada a principios de la década de los 70, casi todas sus predicciones se han podido demostrar en experimentos de laboratorio. La teoría llegó a la cima de su éxito en 2012 tras el descubrimiento de la última de las partículas que predecía, el bosón de Higgs.

Sin embargo, el Modelo Estándar no nos dice nada sobre el aparente exceso de materia en el Universo, ni tampoco resuelve otro de los principales problemas de la Cosmología, la existencia de materia oscura, ese «otro» tipo de materia que no podemos ver, porque no emite radiación, pero que sabemos que está ahí porque ejerce un poderoso efecto gravitatorio sobre la materia visible.

El papel de los neutrinos

Muchos científicos creen que la mayoría de esas respuestas pueden estar en los neutrinos, diminutas partículas que apenas interaccionan con las demás y que recorren a sus anchas el Universo de extremo a extremo. Creados por reacciones nucleares como las que proporcionan energía al Sol, los neutrinos son auténticas «partículas fantasma» que solo en raras ocasiones interaccionan con otras partículas. Billones de ellos, en efecto, atraviesan cada segundo nuestro cuerpo, y nuestro planeta entero, como si no existieran y sin chocar con ninguno de sus átomos.

Los experimentos han demostrado que, aunque no carecen de masa, los neutrinos son mucho más ligeros (incluso millones de veces) que el resto de las partículas, Y eso ha llevado a los físicos a plantear la hipótesis de que los neutrinos obtienen su masa a través de un proceso totalmente distinto que el resto de las partículas. Un proceso que se conoce como el «mecanismo del balancín».

Una nueva teoría

Y ahora, los investigadores de Kanazawa han desarrollado una nueva teoría para explicar las inusuales propiedades de los neutrinos: «Utilizamos los mecanismos de balancín con operadores de cinco o siete dimensiones -explica Mayumi Aoki, primer firmante del estudio- para describir la interacción de un neutrino con dos partículas de leptones y dos bosones W portadores de fuerza».

Según el Modelo Estándar, las partículas subatómicas se dividen en dos grandes categorías: los fermiones, que constituyen la materia, y los bosones, que son los que transportan las unidades mínimas de las cuatro fuerzas conocidas de la Naturaleza (los bosones W, junto a los Z, son portadores de la fuerza nuclear débil, que produce la desintegración radiactiva de los átomos). Los fermiones, a su vez, se dividen en dos familias: los quarks, que se unen en tríos para formar los protones y neutrones de los núcleos atómicos; y los leptones, como el electrón o el neutrino.

«Para conseguir ir más allá del Modelo Estándar -prosigue Aoki- tenemos que ser capaces de explicar por qué en ocasiones se viola el principio de conservación de leptones, aunque sea en un grado muy pequeño. Incluso un pequeño desequilibrio de una parte en un billón puede explicar por qué toda la materia no fue aniquilada por la antimateria después del Big Bang. Nuestro trabajo explica el origen de la masa de los neutrinos y también proporciona predicciones que son directamente comprobables por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC)».

No queda, pues, más que acudir al gran acelerador LHC y poner en marcha un experimento que verifique la nueva teoría. Si se consigue, se habrá demostrado que las pequeñísimas masas de los neutrinos podrían ser la clave para resolver algunos de los mayores misterios del Universo en que vivimos.

Bibliografía : Probing charged lepton number violation via ll0W∓W∓ Mayumi Aoki,1,* Kazuki Enomoto ,2,† and Shinya Kanemura2,‡ 1 Institute for Theoretical Physics, Kanazawa University, Kanazawa 920-1192, Japan 2 Department of Physics, Osaka University, Toyonaka, Osaka 560-0043, Japan (Received 28 February 2020; accepted 27 May 2020; published 17 June 2020)

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