¿Por qué existimos? Esta es posiblemente la pregunta más profunda que existe y una que puede parecer completamente fuera del alcance de la física de partículas. Pero nuestro nuevo experimento en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN nos ha acercado un paso más a descubrirlo.

Para entender por qué retrocedamos en el tiempo unos 13.800 millones de años hasta el Big Bang. Este evento produjo cantidades iguales de la materia de la que estás hecho y algo llamado antimateria. Se cree que cada partícula tiene un compañero de antimateria que es prácticamente idéntico a sí mismo, pero con el cargo opuesto. Cuando una partícula y su antipartícula se encuentran, se aniquilan entre sí, desapareciendo en un estallido de luz.

Por qué el universo que vemos hoy está hecho completamente de materia es uno de los mayores misterios de la física moderna. Si alguna vez hubiera habido una cantidad igual de antimateria, todo en el universo habría sido aniquilado. Nuestra investigación ha revelado una nueva fuente de esta asimetría entre materia y antimateria.

La antimateria fue postulada por primera vez por Arthur Schuster en 1896, dada una base teórica por Paul Dirac en 1928, y descubierto en forma de anti-electrones, positrones apodados, por Carl Anderson en 1932. Los positrones ocurren en procesos radiactivos naturales, como en la desintegración del potasio-40. Esto significa que su plátano promedio (que contiene potasio) emite un positrón cada 75 minutos. Estos luego se aniquilan con los electrones de la materia para producir luz. Las aplicaciones médicas como los escáneres PET producen antimateria en el mismo proceso.

Los bloques de construcción fundamentales de la materia que forman los átomos son partículas elementales llamadas quarks y leptones. Hay seis tipos de quarks:arriba, abajo, extraño, encanto, inferior y superior. Similar, hay seis leptones:el electrón, muon, tau y los tres neutrinos. También hay copias de antimateria de estas doce partículas que difieren solo en su carga.

Las partículas de antimateria deberían, en principio, ser imágenes especulares perfectas de sus compañeras normales. Pero los experimentos muestran que este no es siempre el caso. Tomemos, por ejemplo, partículas conocidas como mesones, que están hechos de un quark y un anti-quark. Los mesones neutros tienen una característica fascinante:pueden convertirse espontáneamente en su anti-mesón y viceversa. En este proceso, el quark se convierte en un anti-quark o el anti-quark se convierte en un quark. Pero los experimentos han demostrado que esto puede suceder más en una dirección que en la opuesta, creando más materia que antimateria con el tiempo.

Tercera es la vencida

Entre las partículas que contienen quarks, solo se ha descubierto que aquellos que incluyen quarks extraños y de fondo exhiben tales asimetrías, y estos fueron descubrimientos de enorme importancia. La primera observación de asimetría que involucra partículas extrañas en 1964 permitió a los teóricos predecir la existencia de seis quarks, en un momento en que solo se sabía que existían tres. El descubrimiento de la asimetría en las partículas del fondo en 2001 fue la confirmación final del mecanismo que condujo a la imagen de los seis quarks. Ambos descubrimientos dieron lugar a premios Nobel.

Tanto el quark extraño como el inferior tienen una carga eléctrica negativa. El único quark cargado positivamente que en teoría debería poder formar partículas que pueden exhibir asimetría materia-antimateria es el encanto. La teoría sugiere que si lo hace, entonces el efecto debería ser pequeño y difícil de detectar.

Pero el experimento LHCb ahora ha logrado observar tal asimetría en partículas llamadas D-mesón, que están compuestas por quarks encantadores, por primera vez. Esto es posible gracias a la cantidad sin precedentes de partículas de encanto producidas directamente en las colisiones del LHC, que fui pionero hace una década. El resultado indica que la probabilidad de que se trate de una fluctuación estadística es de aproximadamente 50 en mil millones.

Si esta asimetría no proviene del mismo mecanismo que causa las asimetrías extrañas y de los quarks inferiores, esto deja espacio para nuevas fuentes de asimetría materia-antimateria que pueden sumarse a la asimetría total en el universo temprano. Y eso es importante, ya que los pocos casos conocidos de asimetría no pueden explicar por qué el universo contiene tanta materia. El descubrimiento del encanto por sí solo no será suficiente para llenar este vacío, pero es una pieza esencial del rompecabezas para comprender las interacciones de las partículas fundamentales.

Próximos pasos

El descubrimiento será seguido por un mayor número de trabajos teóricos, que ayudan a interpretar el resultado. Pero mas importante, describirá más pruebas para profundizar la comprensión después de nuestro hallazgo, con varias de estas pruebas ya en curso.

Durante la próxima década, El experimento LHCb actualizado aumentará la sensibilidad para este tipo de mediciones. Esto se complementará con el experimento Belle II con sede en Japón, que recién está comenzando a operar. Estas son perspectivas interesantes para la investigación de la asimetría materia-antimateria.

La antimateria también está en el centro de otros experimentos. Se están produciendo anti-átomos completos en el Antiproton Decelerator del CERN, que alimenta una serie de experimentos que realizan mediciones de alta precisión. El experimento AMS-2 a bordo de la Estación Espacial Internacional busca antimateria de origen cósmico. Y una serie de experimentos actuales y futuros abordarán la cuestión de si existe una asimetría de materia antimateria entre los neutrinos.

Si bien todavía no podemos resolver por completo el misterio de la asimetría materia-antimateria del universo, Nuestro último descubrimiento ha abierto la puerta a una era de mediciones de precisión que tienen el potencial de descubrir fenómenos aún desconocidos. Hay muchas razones para ser optimistas de que la física algún día podrá explicar por qué estamos aquí.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.