La región francesa de Saboya es mejor conocida por sus pistas de esquí bordeadas de abetos y sus pintorescos pueblos alpinos. Menos conocido es el hecho de que, muy por debajo de algunas de estas laderas, Los científicos están investigando uno de los mayores misterios de la física:el origen de la materia.

El túnel de carretera de Fréjus en la región transporta el tráfico entre la ciudad francesa de Modane y la ciudad italiana de Bardonecchia. Conduce por el túnel y es posible que observe, en el punto medio, una sencilla puerta verde en la pared del túnel. Esta robusta puerta de metal separa los sofocantes, aire infundido con diesel del túnel de la carretera de la limpieza, atmósfera controlada del Laboratoire Souterraine de Modane, El laboratorio subterráneo más profundo de Europa que alberga un experimento de física de partículas llamado SuperNEMO.

El detector SuperNEMO, alrededor de seis metros de largo, cuatro metros de alto y tres metros de ancho, se encuentra en una sala limpia estrictamente controlada para protegerlo de la contaminación por cantidades diminutas de radiactividad natural presente en la suciedad y el polvo. La montaña misma brinda protección contra los rayos cósmicos que bombardean continuamente la superficie de nuestro planeta. Se necesita tal protección, ya que el trabajo de SuperNEMO es vigilar más de siete kilogramos de selenio y buscar una de las formas más raras de radiactividad que existe:la desintegración doble beta.

Todos los elementos radiactivos son inestables y se desintegran (se dividen) a un estado estable debido a cambios en el núcleo atómico (que consta de protones y neutrones). La desintegración doble beta es un proceso mediante el cual dos neutrones en un núcleo de selenio se desintegran simultáneamente en protones, mientras emite dos electrones y dos partículas llamadas antineutrinos.

Los antineutrinos son un ejemplo de "antimateria". Todas las partículas de materia tienen versiones antipartículas de sí mismas, casi idénticas pero con carga opuesta. Cuando una partícula y una antipartícula se encuentran, se aniquilan en un destello de energía.

Partículas enigmáticas

Los antineutrinos son desconcertantes. Toma la forma en que giran por ejemplo. Muchas partículas giran mientras viajan, pero los neutrinos solo parecen girar en una dirección. Todos los neutrinos giran en sentido antihorario mientras viajan, y todos los antineutrinos giran en sentido horario. No tenemos idea de por qué es así.

Luego está su masa:los neutrinos son muchos, muchas veces más livianas que cualquier otra partícula con masa, mucho más livianas que aún no hemos podido medir directamente su diminuta masa. El neutrino es un valor atípico entre las partículas, y cuando los científicos ven valores atípicos, no podemos evitar sospechar que hay un significado más profundo detrás de la inconsistencia que podría revelar una verdad profunda sobre las leyes de la naturaleza. Las semillas de una teoría para explicar las muchas excentricidades del neutrino se encuentran en una observación relativamente mundana:a diferencia de otras partículas, el neutrino no tiene carga eléctrica.

Pero sin carga eléctrica ¿En qué se diferencia el antineutrino del neutrino? Definitivamente hay alguna diferencia. Los tipos de neutrinos y antineutrinos que SuperNEMO está analizando son del llamado tipo electrónico. Cuando los neutrinos interactúan con la materia, producen electrones cargados negativamente, pero cuando los antineutrinos interactúan con la materia producen positrones cargados positivamente, la antipartícula del electrón. Pero antes de que el neutrino o antineutrino interactúe, ¿cómo sabe cuál es?

Esta profunda pregunta llevó al físico italiano Ettore Majorana a considerar si el neutrino y el antineutrino podrían ser exactamente la misma partícula. simplemente girando en direcciones opuestas.

Si los antineutrinos creados en la desintegración doble beta que SuperNEMO está buscando tienen la capacidad de comportarse como neutrinos, entonces, ocasionalmente, uno de ellos podría hacer eso. Eso significaría que tenías un antineutrino y un neutrino uno al lado del otro, lo que significaría que podrían aniquilarse entre sí. Si eso sucediera, los dos electrones producidos en la desintegración doble beta obtendrían un impulso adicional de energía de la aniquilación, y eso es lo que SuperNEMO está buscando:un pequeño impulso de energía que nos obligaría a repensar cómo se relacionan la materia y la antimateria.

La paciencia es la clave de esta búsqueda. La vida media de la desintegración de la doble beta en el selenio, ese es el tiempo que tendrías que esperar antes de que un átomo tenga un 50% de probabilidad de desintegrarse, es de 10 ²⁰ años. Eso es un 1 con 20 ceros después:tome la vida útil del universo y agregue otros diez ceros. E incluso cuando ocurre una desintegración doble beta, la posibilidad de que los dos antineutrinos se aniquilen es mínima, si es que ocurre. Lo compensamos al tener muchos átomos de selenio en nuestro detector, pero todavía estamos atentos a sólo una o dos de esas desintegraciones cada año.

El origen de la materia

Si observamos tal desintegración radiactiva, tendríamos que reescribir el exitoso Modelo Estándar de Física de Partículas. Este sería un gran descubrimiento en sí mismo. El modelo estándar contiene reglas estrictas, llamadas leyes de conservación, sobre lo que puede y no puede suceder en las interacciones y desintegraciones de partículas. Si nuestros dos antineutrinos se aniquilan (porque uno de ellos se comportó como un neutrino en ese momento), entonces la desintegración doble beta produciría dos electrones similares a la materia y ninguna antimateria para equilibrarlos. Eso no está permitido en el modelo estándar, lo que requiere que la materia y la antimateria se produzcan siempre en cantidades iguales.

Esto nos lleva a una de las cuestiones más profundas de la física:¿por qué hay más materia que antimateria en el universo? Podría pensar que ya sabemos la respuesta a eso:el Big Bang produjo todo el asunto. Bien, sí lo hizo, pero también debería haber producido una cantidad igual de antimateria. Entonces, ¿por qué toda la materia y la antimateria no se aniquilaron entre sí para dejar nada más que un mar de luz?

Si el neutrino y el antineutrino son de hecho la misma partícula, el modelo estándar revisado resultante le permitiría agregar más de estas partículas similares a neutrinos en su modelo. Algunas de estas partículas parecidas a los neutrinos pueden ser pesadas en lugar de ligeras; y me refiero a muy pesados, tan pesados ​​que el Gran Colisionador de Hadrones no ha podido producirlos, y tan pesados ​​de hecho que solo eran comunes en el calor, densas condiciones del universo muy temprano.

Dado que este Modelo Estándar revisado tiene un mecanismo para romper la simetría entre la materia y la antimateria, Estos neutrinos superpesados ​​también tienen la capacidad de "elegir" desintegrarse en materia sobre antimateria, proporcionando al universo primitivo la materia extra que ahora vemos. Si no fue así, toda la materia y la antimateria se habrían aniquilado entre sí y no habría estrellas, Los planetas, y nosotros.

Entonces, si alguna vez se encuentra en la región francesa de Saboya, disfrutando de un aprés-ski después de un día en las pistas, Piense en el detector SuperNEMO y en los físicos de partículas como yo, muy por debajo de ti esperando pacientemente esa desintegración radiactiva que podría explicar cómo llegaste allí.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.