Es uno de los mayores acertijos de la física. Todas las partículas que componen la materia que nos rodea, tales electrones y protones, tienen versiones de antimateria que son casi idénticas, pero con propiedades reflejadas como la carga eléctrica opuesta. Cuando una antimateria y una partícula de materia se encuentran, se aniquilan en un destello de energía.

Si la antimateria y la materia son realmente idénticas pero copias reflejadas entre sí, deberían haberse producido en cantidades iguales en el Big Bang. El problema es que lo habría hecho todo aniquilado. Pero hoy, casi no queda antimateria en el universo; aparece solo en algunas desintegraciones radiactivas y en una pequeña fracción de los rayos cósmicos. Entonces, ¿qué le pasó? Usando el experimento LHCb en el CERN para estudiar la diferencia entre materia y antimateria, hemos descubierto una nueva forma en que puede aparecer esta diferencia.

La existencia de antimateria fue predicha por la ecuación del físico Paul Dirac que describe el movimiento de los electrones en 1928. Al principio, no estaba claro si esto era solo una peculiaridad matemática o una descripción de una partícula real. Pero en 1932 Carl Anderson descubrió una antimateria asociada al electrón, el positrón, mientras estudiaba los rayos cósmicos que llueven sobre la Tierra desde el espacio. Durante las siguientes décadas, los físicos descubrieron que todas las partículas de materia tienen compañeros de antimateria.

Los científicos creen que en el estado muy caliente y denso poco después del Big Bang, debe haber habido procesos que dieron preferencia a la materia sobre la antimateria. Esto creó un pequeño excedente de materia, y mientras el universo se enfriaba, toda la antimateria fue destruida, o aniquilado, por una cantidad igual de materia, dejando un minúsculo excedente de materia. Y es este excedente el que constituye todo lo que vemos en el universo hoy.

No está claro exactamente qué procesos causaron el excedente, y los físicos han estado al acecho durante décadas.

Asimetría conocida

El comportamiento de los quarks, que son los bloques de construcción fundamentales de la materia junto con los leptones, puede arrojar luz sobre la diferencia entre materia y antimateria. Los quarks vienen en muchos tipos diferentes, o "sabores", conocido como up, abajo, encanto, extraño, bottom y top más seis anti-quarks correspondientes.

Los quarks up y down son los que forman los protones y neutrones en los núcleos de la materia ordinaria, y los otros quarks pueden producirse mediante procesos de alta energía, por ejemplo, mediante la colisión de partículas en aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

Las partículas que constan de un quark y un anti-quark se denominan mesones, y hay cuatro mesones neutros (B ⁰ , B ⁰ , D ⁰ y K ⁰ ) que exhiben un comportamiento fascinante. Pueden convertirse espontáneamente en su pareja de antipartículas y luego regresar de nuevo, un fenómeno que se observó por primera vez en la década de 1960. Dado que son inestables, se "desintegrarán" —se desmoronará— en otras partículas más estables en algún momento durante su oscilación. Esta desintegración ocurre de manera ligeramente diferente para los mesones en comparación con los antimesones, lo que combinado con la oscilación significa que la tasa de caída varía con el tiempo.

Las reglas para las oscilaciones y desintegraciones vienen dadas por un marco teórico llamado mecanismo Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). Predice que hay una diferencia en el comportamiento de la materia y la antimateria, pero uno que es demasiado pequeño para generar el excedente de materia en el universo primitivo requerido para explicar la abundancia que vemos hoy.

Esto indica que hay algo que no entendemos y que estudiar este tema puede desafiar algunas de nuestras teorías más fundamentales en física.

¿Nueva física?

Nuestro resultado reciente del experimento LHCb es un estudio de neutral B ⁰ mesones, mirando sus desintegraciones en pares de mesones K cargados. El b ⁰ Los mesones se crearon colisionando protones con otros protones en el Gran Colisionador de Hadrones, donde oscilaron en su anti-mesón y retrocedieron tres billones de veces por segundo. Las colisiones también crearon anti-B ₀ mesones que oscilan de la misma forma, dándonos muestras de mesones y antimesones que podrían compararse.

Contamos el número de desintegraciones de las dos muestras y comparamos los dos números, para ver cómo variaba esta diferencia a medida que avanzaba la oscilación. Hubo una ligera diferencia, con más desintegraciones ocurriendo para uno de los B ⁰ mesones. Y por primera vez para B ⁰ mesones, observamos que la diferencia en la descomposición, o asimetría, variaba de acuerdo con la oscilación entre B ⁰ mesón y el anti-mesón.

Además de ser un hito en el estudio de las diferencias materia-antimateria, también pudimos medir el tamaño de las asimetrías. Esto se puede traducir en mediciones de varios parámetros de la teoría subyacente. La comparación de los resultados con otras mediciones proporciona una verificación de coherencia, para ver si la teoría actualmente aceptada es una descripción correcta de la naturaleza. Dado que la pequeña preferencia de la materia sobre la antimateria que observamos a escala microscópica no puede explicar la abrumadora abundancia de materia que observamos en el universo, es probable que nuestra comprensión actual sea una aproximación de una teoría más fundamental.

Investigar este mecanismo que sabemos puede generar asimetrías materia-antimateria, probándolo desde diferentes ángulos, puede decirnos dónde radica el problema. Estudiar el mundo en la escala más pequeña es nuestra mejor oportunidad para poder comprender lo que vemos en la escala más grande.

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