La NASA, la ESA y el equipo del Hubble Heritage (STScI/AURA)
Cuando se contempla la inmensidad del Universo, los planetas, las estrellas, las galaxias y todo lo que hay ahí fuera, una pregunta obvia pide a gritos una explicación: ¿por qué hay algo en lugar de nada? El problema se agrava aún más cuando se consideran las leyes físicas que rigen nuestro Universo, que parecen ser completamente simétricas entre la materia y la antimateria. Sin embargo, al observar lo que hay ahí fuera, nos encontramos con que todas las estrellas y galaxias que vemos están hechas al 100% de materia, sin apenas antimateria. Evidentemente, nosotros existimos, al igual que las estrellas y galaxias que vemos, así que algo debe haber creado más materia que antimateria, haciendo posible el Universo que conocemos. Pero, ¿cómo ocurrió? Es uno de los mayores misterios del Universo, pero que estamos más cerca que nunca de resolver.
NASA, modificado por el usuario de Wikimedia Commons 老陳, modificado además por E. Siegel
Considere estos dos hechos sobre el Universo, y lo contradictorios que son:
- Todas las interacciones entre partículas que hemos observado, a todas las energías, nunca han creado o destruido una sola partícula de materia sin crear o destruir también un número igual de partículas de antimateria.
- Cuando observamos el Universo, todas las estrellas, galaxias, nubes de gas, cúmulos, supercúmulos y estructuras a mayor escala en todas partes, todo parece estar hecho de materia y no de antimateria.
- Cada vez que creamos un quark, también creamos un antiquark,
- Cada vez que se destruye un quark, también se destruye un antiquark,
- Cada vez que creamos-o destruimos un leptón, también creamos-o destruimos un antileptón de la misma familia de leptones, y
- cada vez que un quark-o-leptón experimenta una interacción, colisión o desintegración, el número neto total de quarks y leptones al final de la reacción (quarks menos antiquarks, leptones menos antileptones) es el mismo al final que al principio.
- El Universo debe ser un sistema fuera de equilibrio.
- Debe mostrar una violación de C y CP.
- Debe haber interacciones que violen el número de bariones.
- La nueva física a escala electrodébil podría aumentar en gran medida la cantidad de violaciones de C y CP en el Universo, dando lugar a una asimetría entre materia y antimateria. Las interacciones esfaleronianas, que violan B y L individualmente (pero conservan B – L) pueden entonces generar las cantidades adecuadas de bariones y leptones. Esto podría ocurrir sin supersimetría o con supersimetría, dependiendo del mecanismo.
- La nueva física de neutrinos a altas energías, de la que tenemos un tremendo indicio, podría crear una asimetría fundamental de leptones desde el principio: la leptogénesis. Los esfalerones, que conservan B – L, utilizarían entonces esa asimetría de leptones para generar una asimetría de bariones.
- O la bariogénesis a escala GUT, donde se encuentra nueva física (y nuevas partículas) a escala de gran unificación, donde la fuerza electrodébil se unifica con la fuerza fuerte.
Parece una imposibilidad. Por un lado, no hay forma conocida, dadas las partículas y sus interacciones en el Universo, de hacer más materia que antimateria. Por otro lado, todo lo que vemos está definitivamente hecho de materia y no de antimateria. He aquí cómo lo sabemos.
La producción de pares de materia/antimateria (izquierda) a partir de energía pura es una reacción completamente reversible… (derecha), con la materia/antimateria aniquilándose de nuevo a energía pura. Este proceso de creación y aniquilación, que obedece a E = mc^2, es la única forma conocida de crear y destruir materia o antimateria.
Dmitri Pogosyan / Universidad de Alberta
Cuando y dondequiera que la antimateria y la materia se encuentren en el Universo, se produce un fantástico estallido de energía debido a la aniquilación partícula-antipartícula. De hecho, observamos esta aniquilación en algunos lugares, pero sólo alrededor de fuentes hiperenergéticas que producen materia y antimateria en cantidades iguales, como alrededor de los agujeros negros masivos. Cuando la antimateria choca con la materia en el Universo, produce rayos gamma de frecuencias muy específicas, que podemos detectar. El medio interestelar e intergaláctico está repleto de materia, y la ausencia total de estos rayos gamma es una fuerte señal de que no hay grandes cantidades de partículas de antimateria volando en ningún sitio, ya que esa firma de materia/antimateria aparecería.
En el medio interestelar de nuestra propia galaxia, la vida media sería del orden de unos 300 años, ¡que es diminuta comparada con la edad de nuestra galaxia! Esta restricción nos dice que, al menos dentro de la Vía Láctea, la cantidad de antimateria que se permite mezclar con la materia que observamos es como máximo de 1 parte en 1.000.000.000.000. En escalas mayores -de galaxias y cúmulos de galaxias, por ejemplo- las restricciones son menos estrictas, pero siguen siendo muy fuertes. Con observaciones que abarcan desde unos pocos millones de años-luz hasta más de tres mil millones de años-luz de distancia, hemos observado una escasez de rayos X y rayos gamma que esperaríamos de la aniquilación materia-antimateria. Lo que hemos visto es que, incluso a grandes escalas cosmológicas, el 99,999% o más de lo que existe en nuestro Universo es definitivamente materia (como nosotros) y no antimateria.
Así que de alguna manera, aunque no estamos totalmente seguros de cómo, tuvimos que haber creado más materia que antimateria en el pasado del Universo. Lo que se hace aún más confuso por el hecho de que la simetría entre materia y antimateria, en términos de física de partículas, es aún más explícita de lo que se podría pensar. Por ejemplo:
La única forma en que hemos hecho más (o menos) materia en el Universo ha sido haciendo también más (o menos) antimateria en igual cantidad.
E. Siegel / Más allá de la galaxia
Pero sabemos que debe ser posible; la única pregunta es cómo ocurrió. A finales de la década de 1960, el físico Andrei Sakharov identificó tres condiciones necesarias para la bariogénesis, o la creación de más bariones (protones y neutrones) que antibariones. Son las siguientes:
La primera es fácil, porque un Universo en expansión y enfriamiento con partículas inestables (y/o antipartículas) en él está, por definición, fuera de equilibrio. La segunda también es fácil, ya que la simetría «C» (que sustituye a las partículas por antipartículas) y la simetría «CP» (que sustituye a las partículas por antipartículas reflejadas en el espejo) se violan en las interacciones débiles.
Eso deja la cuestión de cómo violar el número de bariones. En el Modelo Estándar de la física de partículas, a pesar de la conservación observada del número de bariones, no hay una ley de conservación explícita ni para ese número ni para el de leptones (donde un leptón es una partícula como un electrón o un neutrino). En cambio, sólo se conserva la diferencia entre bariones y leptones, B – L. Así que, en las circunstancias adecuadas, no sólo se pueden fabricar protones adicionales, sino también los electrones necesarios para acompañarlos.
Sin embargo, cuáles son esas circunstancias sigue siendo un misterio. En las primeras etapas del Universo, esperamos plenamente que existan cantidades iguales de materia y antimateria, con velocidades y energías muy elevadas.
Laboratorio Nacional de Brookhaven
A medida que el Universo se expande y se enfría, las partículas inestables, una vez creadas en gran abundancia, decaerán. Si se dan las condiciones adecuadas, pueden dar lugar a un exceso de materia sobre antimateria, incluso donde no había ninguna inicialmente. Existen tres posibilidades principales de cómo podría haber surgido este exceso de materia sobre antimateria:
Todos estos escenarios tienen algunos elementos en común, así que vamos a recorrer el último, sólo como ejemplo, para ver lo que podría haber ocurrido.
Si la gran unificación es cierta, debería haber nuevas partículas superpesadas, llamadas X e Y, que tienen propiedades tanto de bariones como de leptones. También deberían existir sus contrapartes de antimateria: anti-X y anti-Y, con números B – L opuestos y cargas opuestas, pero con la misma masa y vida. Estos pares partícula-antipartícula pueden crearse en gran abundancia a energías suficientemente altas, y luego decaerán en momentos posteriores.
Así que tu Universo puede llenarse de ellos, y luego decaerán. Sin embargo, si se viola C y CP, entonces es posible que haya ligeras diferencias entre cómo decaen las partículas y las antipartículas (X/Y vs. anti-X/anti-Y).
Si tu partícula X tiene dos caminos: decaer en dos quarks up o un quark down y un positrón, entonces la anti-X tiene que tener dos caminos correspondientes: dos quarks anti-up o un quark down y un electrón. Obsérvese que la X tiene B – L de dos tercios en ambos casos, mientras que la anti-X tiene dos tercios negativos. Lo mismo ocurre con las partículas Y/anti-Y. Pero hay una diferencia importante que se permite con la violación de C y CP: la X podría tener más probabilidad de decaer en dos quarks up que la anti-X de decaer en dos quarks anti-up, mientras que la anti-X podría tener más probabilidad de decaer en un quark down y un electrón que la X de decaer en un quark anti-down y un positrón.
Si tienes suficientes pares X/anti-X e Y/anti-Y, y decaen de esta manera permitida, puedes hacer fácilmente un exceso de bariones sobre antibariones (y de leptones sobre antileptones) donde antes no había ninguno.
Si las partículas decaen según el mecanismo descrito anteriormente, nos quedaría un… exceso de quarks sobre antiquarks (y de leptones sobre antileptones) después de que todas las partículas inestables y superpesadas decaigan. Después de que los pares partícula-antipartícula en exceso se aniquilen (emparejados con líneas rojas punteadas), nos quedaría un exceso de quarks arriba y abajo, que componen los protones y neutrones en combinaciones de arriba-arriba y arriba-abajo, respectivamente, y electrones, que coincidirán con los protones en número.
E. Siegel / Más allá de la galaxia
En otras palabras, se puede empezar con un Universo completamente simétrico, que obedezca todas las leyes físicas conocidas y que cree espontáneamente materia y antimateria sólo en pares iguales y opuestos, y acabar con un exceso de materia sobre antimateria al final. Tenemos múltiples caminos posibles hacia el éxito, pero es muy probable que la naturaleza sólo necesitara uno de ellos para darnos nuestro Universo.
El hecho de que existimos y estamos hechos de materia es indiscutible; la pregunta de por qué nuestro Universo contiene algo (materia) en lugar de nada (de una mezcla igual de materia y antimateria) es una que debe tener respuesta. Este siglo, los avances en las pruebas electrodébiles de precisión, la tecnología de los colisionadores y los experimentos que exploran la física de partículas más allá del Modelo Estándar pueden revelar exactamente cómo sucedió. Y cuando lo haga, uno de los mayores misterios de toda la existencia tendrá por fin una solución.