Las leyes de la física establecen que no se puede crear o destruir materia sin crear o destruir también una cantidad igual de antimateria. Entonces, ¿cómo estamos aquí?
El cúmulo de galaxias en colisión “El Gordo”, el más grande conocido en el Universo observable, muestra la misma evidencia de materia oscura y materia normal que otros cúmulos en colisión. Prácticamente no hay espacio para la antimateria en esta o en la interfaz de cualquier galaxia o cúmulo de galaxias conocido, lo que limita severamente su posible presencia en nuestro Universo. (Crédito: NASA, ESA, J. Jee (Univ. of California, Davis), J. Hughes (Rutgers Univ.), F. Menanteau (Rutgers Univ. & Univ. of Illinois, Urbana-Champaign), C. Sifon (Leiden Obs.), R. Mandelbum (Carnegie Mellon Univ.), L. Barrientos (Univ. Catolica de Chile), y K. Ng (Univ. of California, Davis))
Después de más de 13 mil millones de años de evolución cósmica, en un planeta que orbita una estrella bastante poco notable en una galaxia común y corriente, los seres humanos surgieron por primera vez. Cientos de miles de años después, comenzamos a desentrañar muchos de los misterios del Universo. En escalas cósmicas, hemos descubierto que el Universo está lleno de planetas, estrellas, galaxias y más, extendiéndose hasta los límites establecidos solo por la velocidad de la luz y el Big Bang. En escalas más pequeñas, mientras tanto, hemos revelado los bloques de construcción del Universo, descubriendo moléculas, átomos y partículas subatómicas que componen fundamentalmente nuestra realidad. Sin embargo, dondequiera que miremos, vemos lo mismo: el material que compone cada planeta, estrella, galaxia y nube de gas o polvo está compuesto de materia. Esto es un gran problema, porque por lo que podemos decir, la única manera de crear o destruir la materia es crear o destruir, junto con ella, una cantidad igual de antimateria. De alguna manera, el Universo está en un desequilibrio cósmico dominado por la materia. Este es uno de los grandes problemas no resueltos de la existencia: el rompecabezas de la bariogénesis, o por qué hay una asimetría materia-antimateria. Aunque no hemos descubierto la solución a este rompecabezas, hay mucho que sabemos al respecto. Aquí es donde está la ciencia hoy.
En la imagen principal, se ilustran los chorros de antimateria de nuestra galaxia, soplando ‘burbujas de Fermi’ en el halo de gas que rodea nuestra galaxia. En la pequeña imagen insertada, los datos reales de Fermi muestran las emisiones de rayos gamma resultantes de este proceso. Estas “burbujas” surgen de la energía producida por la aniquilación electrón-positrón: un ejemplo de materia y antimateria que interactúan y se convierten en energía pura a través de E = mc ^ 2. (Crédito: David A. Aguilar (principal); NASA/GSFC/Fermi (recuadro))
¿De qué está hecho el Universo?
El primer paso para resolver cualquier problema es asegurarse de que realmente es el problema que crees que es. Cada vez que la materia y la antimateria se encuentran en el Universo, se aniquilan, y la aniquilación materia-antimateria produce una señal muy específica. Cuando una partícula de materia choca con su contraparte de antimateria, típicamente resulta en la producción de dos fotones (en el marco de referencia del centro de momento de la colisión) con energías iguales y momentos opuestos. Un electrón aniquilado con un positrón, por ejemplo, produce dos fotones de exactamente 511.000 electronvoltios de energía cada uno: la energía equivalente de la masa de las partículas que se aniquilaron, a través de E = mc² de Einstein.
Podemos ver estas señales de aniquilación en todo el espacio dondequiera que ocurran, lo que nos permite identificar dónde se encuentran la materia y la antimateria. Si hubiera:
Planetas
Estrellas
Galaxias
cúmulos de galaxias,
o incluso regiones intergalácticas del espacio,
Donde algunos eran materia y otros eran antimateria, veríamos evidencia de esos fotones de alta energía de aniquilación en la interfaz. El hecho de que veamos esos fotones, pero tan raramente y solo en lugares específicos (en su mayoría consistentes con las emisiones de los agujeros negros activos), nos dice que todo el Universo observable está hecho principalmente de materia y no de antimateria.
A través del examen de los cúmulos de galaxias en colisión, podemos restringir la presencia de antimateria de las emisiones en las interfaces entre ellos. En todos los casos, hay menos de 1 parte en 100.000 antimateria en estas galaxias, consistente con su creación a partir de agujeros negros supermasivos y otras fuentes de alta energía. No hay evidencia de antimateria cósmicamente abundante. (Crédito: G. Steigman, JCAP, 2008)
También hay otra línea de evidencia que podemos mirar para determinar de qué está hecho el Universo: las proporciones específicas de los elementos más ligeros y sus isótopos en el Universo. Antes de que se formaran estrellas en el Universo, en las primeras etapas del Big Bang caliente, el Universo era más pequeño, más denso, más uniforme y lleno de radiación de mayor energía. Hay radiación en el Universo hoy sobrante del Big Bang caliente, pero es difusa y baja en energía; podemos medirlo y asignarle una temperatura, y encontramos que solo está en 2.725 K hoy.
Dado que la energía de cada onda de luz se define por su longitud de onda, y el Universo se expande con el tiempo, la longitud de onda de cada fotón se estira a medida que el tiempo avanza. Sin embargo, si extrapolamos hacia atrás, encontramos que la longitud de onda de cada fotón era más corta, más comprimida, en el pasado, lo que significa que cuanto más atrás miramos en el tiempo, más caliente estaba el Universo en esas primeras etapas. En algún momento, el Universo estaba tan caliente que los átomos neutros eran imposibles de formar, ya que no había suficientes fotones de energía suficiente para evitar que los electrones se unieran de manera estable a los núcleos atómicos que estaban presentes. Pero si queremos, podemos retroceder aún más que eso.
En los primeros tiempos (izquierda), los fotones se dispersan de los electrones y son lo suficientemente altos en energía como para devolver cualquier átomo a un estado ionizado. Una vez que el Universo se enfría lo suficiente, y está desprovisto de tales fotones de alta energía (derecha), no pueden interactuar con los átomos neutros, y en su lugar simplemente fluyen libremente, ya que tienen la longitud de onda incorrecta para excitar estos átomos a un nivel de energía más alto. Si existe una forma temprana de energía oscura, la historia de expansión temprana, y por lo tanto la escala en la que vemos picos acústicos, cambiará fundamentalmente. (Crédito: E. Siegel/Beyond the Galaxy)
Podemos remontarnos a una época en la que el Universo estaba tan caliente que ni siquiera los núcleos atómicos podían unirse. Cada vez que intentaban hacerlo, un fotón destrozaba los protones y neutrones individuales, evitando que se acumularan en elementos más pesados. Solo cuando el Universo se haya enfriado por debajo de un cierto umbral crítico, que ocurre unos 3 a 4 minutos después del comienzo del Big Bang caliente, podemos comenzar a formar núcleos atómicos que son más pesados que un solo protón simple. Una vez que llegue ese momento, podemos construir los elementos más ligeros del Universo de acuerdo con las reglas de la física nuclear. Cabe destacar la proporción de los elementos ligeros y sus isótopos que obtenemos, incluyendo:
hidrógeno (un solo protón),
deuterio (un protón más un neutrón),
helio-3 (dos protones más un neutrón),
helio-4 (dos protones y dos neutrones), y
litio-7 (cuatro protones y tres neutrones),
Depende de un solo parámetro: la relación de fotones con respecto al número total de protones y neutrones combinados. Cuando tomamos observaciones, tanto de las nubes de gas más prístinas que podemos encontrar como de la huella en el fondo cósmico de microondas, obtenemos la misma respuesta: hay aproximadamente 1 protón o neutrón por cada 1.600 millones de fotones en el Universo. Incluso en las primeras etapas del Big Bang caliente, había más materia que antimateria.
Los elementos más ligeros del Universo se crearon en las primeras etapas del Big Bang caliente, donde los protones y neutrones en bruto se fusionaron para formar isótopos de hidrógeno, helio, litio y berilio. El berilio era todo inestable, dejando al Universo con sólo los tres primeros elementos antes de la formación de las estrellas. Las proporciones observadas de los elementos nos permiten cuantificar el grado de asimetría materia-antimateria en el Universo comparando la densidad bariónica con la densidad del número de fotones. (Crédito: E. Siegel/Beyond the Galaxy (L); NASA/Equipo Científico WMAP (R))
Por qué el problema es tan “problemático”
Este es un verdadero enigma. Por un lado, esto es algo bueno. Si hubiera cantidades iguales de materia y antimateria en el Universo, casi toda se habría aniquilado. En la actualidad, quedaría menos de una partícula de materia o antimateria por kilómetro cúbico en el Universo. Tal como está, sin embargo, el Universo es mucho más denso que eso en aproximadamente un factor de mil millones, y prácticamente todo lo que queda es materia, no antimateria. Pero la única forma que conocemos de convertir la energía en masa o de convertir la masa en energía siempre tiene el mismo resultado: el número de partículas de materia menos el número de partículas de antimateria es siempre una constante. De alguna manera, tiene que haber algo más sucediendo con las partículas en el Universo, más allá de lo que predice el Modelo Estándar, para crear el Universo como lo observamos hoy. Si abordamos el problema científicamente, eso significa extrapolar al estado más temprano del Big Bang caliente, donde las partículas y antipartículas de todo tipo podrían crearse fácilmente a las energías más altas, y ver qué se necesitaría para que el Universo creara una asimetría materia-antimateria donde inicialmente no había ninguna.
El Big Bang produce materia, antimateria y radiación, con un poco más de materia creada en algún momento, lo que lleva a nuestro Universo hoy. Cómo surgió esa asimetría, o surgió de donde no había asimetría para comenzar, sigue siendo una pregunta abierta. (Crédito: E. Siegel/Beyond the Galaxy)
Cada interacción entre partículas (y antipartículas) que hemos observado, en todas las energías, nunca ha creado ni destruido ni una sola partícula de materia sin crear o destruir también un número igual de partículas de antimateria. Esto es cierto para todos los quarks y antiquarks, para todos los leptones y antileptones, para las tres familias de leptones (electrón, mu y tau), y para todas las combinaciones de estas clases de partículas. No sabemos cómo crear materia sin crear una cantidad igual de antimateria, y no sabemos cómo destruir la antimateria sin destruir una cantidad igual de materia. Y, sin embargo, es teóricamente posible crear una asimetría materia-antimateria donde inicialmente no existía ninguna. Además, el físico soviético Andrei Sakharov, en 1967, demostró que se puede hacer incluso sin violar las leyes de la física. Todo lo que necesita hacer es cumplir con los siguientes tres criterios:
El Universo debe estar fuera del equilibrio térmico.
El Universo debe contener ejemplos de violación de la simetría C y la simetría CP.
Y el Universo debe admitir interacciones que violan la conservación del número bariónico.
Estas tres partes, hoy en día, se conocen como las condiciones de Sajarov. (¡Y sí, explicaremos lo que significan en un lenguaje sencillo!) Si cumples con estos tres criterios, entonces la creación de una asimetría materia-antimateria es inevitable. Así es como funcionaría.
A las altas temperaturas alcanzadas en el Universo muy joven, no solo se pueden crear espontáneamente partículas y fotones, dada suficiente energía, sino también antipartículas y partículas inestables, lo que resulta en una sopa primordial de partículas y antipartículas. Sin embargo, incluso con estas condiciones, solo pueden surgir unos pocos estados específicos, o partículas. (Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven)
Cómo resolver el rompecabezas, teóricamente
Al principio, debido a que tienes tanta energía, crearás abundante y espontáneamente todas las partículas y antipartículas que la energía te permite: una vez más a través de E = mc². Los crearás en números iguales, pero luego, a medida que el Universo se expande, se enfría.
Aquí es donde entra el primer paso, el paso “fuera del equilibrio térmico”. Si estás en equilibrio térmico, entonces el número de partículas y antipartículas de cada especie que crees será igual al número de partículas y antipartículas de esa especie que se destruyen con cada intervalo de tiempo que pasa. Pero si estás fuera del equilibrio térmico, que ocurre cuando el Universo se enfría por debajo del umbral de energía necesario para crear esa especie a través de E = mc², estás fuera del equilibrio térmico.
Cuando estás fuera del equilibrio térmico, creas partículas y antipartículas de cada especie más lentamente de lo que las destruyes a través de la aniquilación materia-antimateria. Si las partículas (y antipartículas) de esa especie son inestables, entonces cuando sus densidades bajen lo suficiente, se descompondrán en lugar de aniquilarse. Y si se descomponen con las propiedades correctas (es decir, si cumplen con las otras dos condiciones de Sajarov), entonces tendrán la oportunidad de crear una asimetría materia-antimateria.
El proceso de desintegración radiactiva es probablemente el tipo más familiar de desintegración de partículas para la mayoría de los no científicos, donde un núcleo atómico puede cambiar el número de protones y / o neutrones en su núcleo para formar un nuevo elemento. Durante las desintegraciones, las partículas “hijas” se emiten con propiedades específicas de energía y momento en relación con el giro de la partícula “madre”. Aunque las partículas y las antipartículas tienen muchas propiedades en común entre sí, a veces se observa que estas desintegraciones son asimétricas de maneras específicas. (Crédito: Inductiveload/Wikimedia Commons)
Así que ahora imaginemos que tenemos partículas inestables y antipartículas, y van a descomponerse. Hay ciertas simetrías que existen entre toda la materia y las partículas de antimateria. Por ejemplo, las partículas de materia y antimateria deben tener lo mismo:
masa en reposo
magnitud de la carga eléctrica,
espín cuántico,
vías de desintegración permitidas, y la duración media total
Como el uno al otro. Pero ciertas propiedades pueden ser diferentes. Y bajo las interacciones débiles, ya se ha observado que ciertas propiedades son diferentes entre las partículas de materia y antimateria de la misma especie.
Por ejemplo, imagina que tienes una partícula giratoria y la visualizas curvando los dedos de tu mano izquierda hacia tu pulgar. Si su pulgar apunta hacia arriba, entonces cuando mire “hacia abajo” a su pulgar, verá que sus dedos se curvan en el sentido de las agujas del reloj. Cuando esa partícula se descompone, escupirá un cierto producto de descomposición en la dirección de su pulgar un cierto porcentaje del tiempo.
Si el Universo fuera perfectamente simétrico entre materia y antimateria, esperarías que si reemplazas esa partícula con una antipartícula, el producto de desintegración correspondiente (la versión anti-de cualquier partícula que haya sido escupida previamente) iría en la dirección de tu pulgar exactamente el mismo porcentaje del tiempo.
La paridad, o simetría espejo, es una de las tres simetrías fundamentales en el Universo, junto con la inversión del tiempo y la simetría de conjugación de carga. Si las partículas giran en una dirección y se descomponen a lo largo de un eje en particular, entonces voltearlas en el espejo debería significar que pueden girar en la dirección opuesta y decaer a lo largo del mismo eje. Se observó que este no era el caso de las desintegraciones débiles, que son las únicas interacciones conocidas por violar la simetría de conjugación de carga (C), la simetría de paridad (P) y la combinación (CP) de esas dos simetrías también. (Crédito: E. Siegel/Beyond the Galaxy)
Eso es lo que es la simetría “C”: reemplazar partículas con antipartículas (y cualquier antipartícula con sus contrapartes de partículas) y obtener el mismo resultado. Sin embargo, si no obtienes el mismo resultado, si ves una diferencia entre las desintegraciones de partículas y antipartículas, entonces se viola esa simetría C.
Del mismo modo, puede reflejar sus partículas (y / o antipartículas) en el espejo: esa es la simetría “P”. Si reemplaza las partículas con sus contrapartes de imagen especular y obtiene los mismos resultados, entonces conserva la simetría P. Si no obtiene los mismos resultados, se viola la simetría P.
La simetría CP es la combinación de los dos, lo que significa que para violarla, necesita que su sistema de partículas se comporte de manera diferente a un sistema de antipartículas que tiene la configuración de imagen especular de su propio sistema. Se viola en las interacciones débiles para partículas en descomposición como Kaons (que contienen quarks extraños), así como partículas que contienen quarks fondo y charm.
Lo único que no se ha observado es esa tercera condición de Sajarov: ver una reacción que viola el número bariónico. (Cada quark tiene un número bariónico de 1/3; cada antiquark tiene un número bariónico de -1/3. Ninguna otra partícula conocida tiene un número bariónico). Nos insinúa que en algún lugar, aún no descubierto, hay una reacción, interacción o una nueva partícula capaz de producir interacciones que violan el número bariónico.
Una colección igualmente simétrica de bosones de materia y antimateria (de X e Y, y anti-X y anti-Y) podría, con las propiedades GUT correctas, dar lugar a la asimetría materia/antimateria que encontramos en nuestro Universo hoy. Sin embargo, asumimos que hay una explicación física, más que divina, para la asimetría materia-antimateria que observamos hoy, pero aún no lo sabemos con certeza. (Crédito: E. Siegel/Beyond the Galaxy)
Entonces, ¿cómo hizo el Universo realmente más materia que antimateria?
Esperamos que medir las propiedades de las partículas de manera lo suficientemente intrincada, particularmente a altas energías, pueda revelar lo que realmente sea esa nueva interacción o partícula. En las Grandes Teorías Unificadas, por ejemplo, como se ilustró anteriormente, hay nuevas partículas llamadas bosones X e Y, y se acoplan tanto a quarks como a leptones. Si estas partículas tienen lo que se denominan diferentes relaciones de ramificación de sus contrapartes de antipartículas, lo que significa que la versión de partículas decae a través de dos vías diferentes con una relación específica, mientras que la versión de antipartículas toma las mismas vías correspondientes, pero la relación específica es diferente de la versión de partículas, entonces se cumplen las tres condiciones de Sakharov, y la creación de una asimetría materia-antimateria es inevitable.
La nueva física a escala electrodébil también podría resolver el problema de la bariogénesis. La introducción de la supersimetría es otro candidato para resolver el problema de la bariogénesis. Además, es posible que haya alguna física interesante de leptones y / o neutrinos que aparezca a energías extremadamente altas, y que podría crear una asimetría leptónica que el Modelo Estándar por sí solo podría transformar en una asimetría bariónica.
Cuando la simetría electrodébil se rompe, la combinación de violación CP y violación del número bariónico puede crear una asimetría materia/antimateria donde antes no había ninguna, debido al efecto de las interacciones esfaleronas que trabajan en un exceso de neutrinos. (Crédito: Universidad de Heidelberg)
Si bien no sabemos exactamente cómo el Universo llegó a tener más materia que antimateria, sabemos que fue un paso necesario para permitir que nuestro Universo, y los objetos y criaturas en él, existan como lo hacen. Numerosos experimentos de todo el mundo están constantemente sondeando materia y antimateria a escalas subatómicas, buscando cualquier indicio de violación del número bariónico y de interacciones adicionales que violen la simetría C y la simetría CP. Puede que no hayamos encontrado el “árbol de la vida” que permitió nuestra propia existencia, pero gracias a la física que conocemos hasta ahora, podemos estar seguros de que al menos estamos buscando en el bosque correcto.
Referencia: traducido de How science can solve the mystery of why we exist at all