Belleza que rompe la simetría del cosmos

Giovanna Cottin

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Nuestro universo está hecho principalmente de materia, y no antimateria. Estamos hechos de átomos, no anti-átomos. Sin embargo, la antimateria existe. Desde que Paul Dirac, en 1928, escribió una famosa ecuación que trata al espacio y al tiempo de la misma manera (combinando la Relatividad Especial de Einstein con la Mecánica Cuántica) es que anticipamos que por cada partícula elemental, hay otra partícula de la misma masa, pero que posee carga eléctrica opuesta. Por ejemplo, Carl D. Anderson corrobora la predicción de Dirac de que por cada electrón, existe un positrón o un "electrón positivo", que es la antipartícula del electrón. Y así con todas las partículas del Modelo Estándar de Física de Partículas, teoría que resume nuestra actual comprensión de las escalas subatómicas. A cada partícula le corresponde una antipartícula. Si ambas entran en contacto, se aniquilan en energía.

En el origen del tiempo, el universo era muy denso y muy caliente. Estaba plagado de partículas y antipartículas, aniquilándose mutuamente en energía en forma de fotones, las partículas de la luz. Pero, ciertamente, sobrevivió una porción de materia, remanente a estas aniquilaciones. Ya que estamos aquí, estamos hechos de materia y no somos fotones ¿Por qué la aniquilación entre partículas y antipartículas no fue perfecta? ¿Qué sucedió en el universo temprano que generó este desbalance, rompiendo la simetría entre materia y antimateria? El experimento Large Hadron Collider beauty (LHCb) del laboratorio CERN está buscando las respuestas a estas preguntas.

El Gran Colisionador de Hadrones -o LHC- es un acelerador y colisionador de partículas llamadas hadrones. Los hadrones están hechos de partículas fundamentales de la materia, llamadas quarks. Hay seis tipos distintos de quarks. Los llamamos up (u), down (d), charm (c), strange (s), top (t) y bottom (b) (este último a veces también llamado beauty o "quark belleza", lo que origina el nombre del experimento LHCb). Los hadrones se clasifican en dos grandes tipos: mesones y bariones. Los mesones están hechos de dos quarks. Los bariones están hechos de tres quarks. Por ejemplo, el protón de nuestros átomos está hecho de tres quarks (dos tipo u y uno tipo d), y es el barión más liviano. Pero existen otros tipos de bariones más masivos, como los llamados bariones beauty Lambda (hechos de un quark tipo u, uno tipo d y un tipo b).

Nuestro Modelo Estándar de Física de Partículas predice los quarks, y, entre muchos otros fenómenos, predice que los estados compuestos de quarks y antiquarks (i.e. la materia y la antimateria) se comportan de manera diferente si uno los intercambia. Esto ya que se ha medido el rompimiento o quiebre de dos simetrías simultáneas de la naturaleza: la llamada conjugación de carga (C) y paridad (P). Si un sistema o una teoría se ve igual al transformarse de cierta manera, decimos que posee simetrías. Si no se ve igual bajo la transformación, decimos que la simetría se rompe.

La conjugación de carga C transforma partículas en antipartículas. La paridad es una inversión en el espacio: igual que los espejos que dan vuelta las cosas. Entonces, si tengo una partícula, la cambio por su antipartícula, y la invierto en el espacio (i.e. imagino que la miro en un espejo), las cosas no se ven igual. A este fenómeno se le conoce como "rompimiento de CP". Y se traduce en el hecho de que se mide que la cantidad de desintegraciones no es la misma para hadrones que antihadrones. Y el hecho de que ocurra rompimiento de CP en el mundo de las partículas es una condición necesaria para poder explicar el desbalance entre materia y antimateria que observamos en el universo.

Recientemente, la colaboración LHCb del CERN observó, por primera vez, que los bariones sufren también este fenómeno de rompimiento de CP. Hasta antes de este nuevo descubrimiento publicado en Nature, se había medido rompimiento de CP sólo en decaimientos o desintegraciones de mesones. Hoy evidenciamos que esto también le ocurre a los bariones. LHCb reporta que esta diferencia es muy clara, y, estadísticamente hablando, están seguros en 5.2 desviaciones estándar de que la diferencia del número de decaimientos de bariones y antibariones beauty Lambda no es pura casualidad. En física de partículas, alcanzar una confiabilidad estadística de 5 desviaciones estándar se considera un descubrimiento, lo que equivale a una certeza del 99,9999%.

Pero medir una condición necesaria para explicar el desbalance entre materia y antimateria en los mesones y en los bariones no es suficiente para explicar la evidente asimetría entre materia y antimateria en el cosmos. Y esto es lo más interesante a mi parecer, ya que abre puertas a la posibilidad de que existan nuevas partículas elementales, que aporten aún más al desbalance. Esto ya que la cantidad de rompimiento de CP que predice el Modelo Estándar no es suficiente para explicar la asimetría. Pero para entender esta discrepancia, debemos medirla muy bien en el Modelo Estándar, para que, si/cuando aparezcan las nuevas partículas, estemos seguras de cuánto éstas contribuyen al desbalance. Y es aquí donde radica la importancia de esta nueva medición bella y que rompe simetrías: necesitamos saber cuantificar con alta precisión lo conocido, para así poder reconocer cuando estemos en presencia de lo que no sabemos.