¿Qué pasó al principio del universo, en los primeros momentos? La verdad es, realmente no lo sabemos porque se necesita una gran cantidad de energía y precisión para recrear y comprender el cosmos en escalas de tiempo tan cortas en el laboratorio. Pero los científicos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, Suiza no se rinde.

Ahora nuestro experimento LHCb ha medido una de las diferencias de masa más pequeñas entre dos partículas, lo que nos permitirá descubrir mucho más sobre nuestros enigmáticos orígenes cósmicos.

El modelo estándar de física de partículas describe las partículas fundamentales que componen el universo, y las fuerzas que actúan entre ellos. Las partículas elementales incluyen quarks, de los cuales hay seis abajo, extraño, encanto, arriba y abajo. Del mismo modo, hay seis "leptones" que incluyen el electrón, un primo más pesado llamado muon, y la tau aún más pesada, cada uno de los cuales tiene un neutrino asociado. También hay "socios de antimateria" de todos los quarks y leptones que son partículas idénticas aparte de una carga opuesta.

El modelo estándar se verifica experimentalmente con un grado increíble de precisión, pero tiene algunas deficiencias importantes. 13,8 mil millones de años, el universo fue creado en el Big Bang. La teoría sugiere que este evento debería haber producido cantidades iguales de materia y "antimateria". Aún hoy, el universo está compuesto casi en su totalidad por materia. Y eso es suerte porque la antimateria y la materia se aniquilan en un destello de energía cuando se encuentran.

Una de las mayores preguntas abiertas en la física actual es por qué hay más materia que antimateria. ¿Había procesos en juego en el universo primitivo que favorecían la materia sobre la antimateria? Para acercarme a la respuesta hemos estudiado un proceso donde la materia se transforma en antimateria y viceversa.

Los quarks se unen para formar partículas llamadas bariones, incluidos los protones y neutrones que forman el núcleo atómico, o mesones, que constan de pares quark-antiquark. Los mesones con carga eléctrica cero experimentan continuamente un fenómeno llamado mezcla por el cual se transforman espontáneamente en su partícula de antimateria, y viceversa. En este proceso, el quark se convierte en un anti-quark y el anti-quark se convierte en un quark.

Puede hacer esto debido a la mecánica cuántica, que gobierna el universo en la más pequeña de las escalas. Según esta teoría contraintuitiva, las partículas pueden estar en muchos estados diferentes al mismo tiempo, siendo esencialmente una mezcla de muchas partículas diferentes, una característica llamada superposición. Es sólo cuando mide su estado que "escoge" uno de ellos. Un tipo de mesón llamado D0, por ejemplo, que contiene quarks de encanto, está en una superposición de dos partículas de materia normal llamadas D1 y D2. La velocidad a la que el mesón D0 se convierte en su antipartícula y viceversa, una oscilación, depende de la diferencia de masas de D1 y D2.

Pequeñas masas

Es difícil medir la mezcla en mesones D0, pero se hizo por primera vez en 2007. Sin embargo, hasta ahora, nadie ha medido de manera confiable la diferencia de masa entre D1 y D2 que determina qué tan rápido oscila el D0 en su antipartícula.

Nuestro último descubrimiento, anunció en la conferencia Charm, cambia esto. Medimos un parámetro que corresponde a una diferencia de masa de 6.4x10 ^-6 electronvoltios (una medida de energía) o 10 ^-38 gramos:una de las diferencias de masa más pequeñas entre dos partículas jamás medidas.

Luego calculamos que la oscilación entre el D0 y su pareja de antimateria toma alrededor de 630 picosegundos (1 ps =1 millonésima millonésima de segundo). Esto puede parecer rápido pero el mesón D0 no vive mucho tiempo, no es estable en el laboratorio y se desintegra (decae) ​​en otras partículas después de solo 0.4 picosegundos. Por lo que normalmente desaparecerá mucho antes de que ocurra esta oscilación, planteando un serio desafío experimental.

La clave es la precisión. Sabemos por la teoría que estas oscilaciones siguen el camino de un tipo de onda familiar (sinusoidal). Midiendo el inicio de la ola con mucha precisión, podemos inferir su período completo como conocemos su forma. Por tanto, la medición tenía que alcanzar una precisión récord en varios frentes. Esto es posible gracias a la cantidad sin precedentes de partículas de encanto producidas en el LHC.

Pero ¿Por qué es importante? Para entender por qué el universo produjo menos antimateria que materia, necesitamos aprender más sobre la asimetría en la producción de los dos, un proceso conocido como infracción de CP. Ya se ha demostrado que algunas partículas inestables se desintegran de forma diferente a su correspondiente partícula de antimateria. Esto puede haber contribuido a la abundancia de materia en el universo, y sus descubrimientos anteriores llevaron a premios Nobel.

También queremos encontrar una infracción de CP en el proceso de mezcla. Si comenzamos con millones de partículas D0 y millones de antipartículas D0, ¿Terminaremos con más partículas de materia normal D0 después de algún tiempo? Conocer la tasa de oscilación es un paso clave hacia este objetivo. Si bien esta vez no encontramos una asimetría, nuestro resultado y otras mediciones de precisión pueden ayudarnos a encontrarlo en el futuro.

El próximo año, el LHC se encenderá después de un apagado prolongado y el nuevo detector LHCb actualizado tomará muchos más datos, aumentando aún más la sensibilidad de estas mediciones. Mientras tanto, Los físicos teóricos están trabajando en nuevos cálculos para interpretar este resultado. El programa de física del LHCb también se complementará con el experimento Belle-II en Japón. Estas son perspectivas interesantes para investigar la asimetría materia-antimateria y las oscilaciones de los mesones.

Si bien todavía no podemos resolver por completo los misterios del universo, nuestro último descubrimiento ha puesto la siguiente pieza en el rompecabezas. El nuevo detector LHCb actualizado abrirá la puerta a una era de mediciones de precisión que tienen el potencial de descubrir fenómenos aún desconocidos, y tal vez la física más allá del Modelo Estándar.

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