Los científicos se deleitan explorando misterios, y cuanto más grande es el misterio, mayor es el entusiasmo. Hay muchas preguntas enormes sin respuesta en la ciencia, pero cuando se trata de algo grande, es difícil superar la pregunta «¿Por qué hay algo, en lugar de nada?»
Esa puede parecer una pregunta filosófica, pero es una muy susceptible de ser investigada científicamente. Dicho de forma un poco más concreta: «¿Por qué el universo está hecho de los tipos de materia que hacen posible la vida humana para que podamos siquiera hacer esta pregunta?» Científicos que investigan en Japón anunciaron el mes pasado una medición que responde directamente a esa fascinante pregunta. Parece que su medición discrepa de las expectativas más simples de la teoría actual y bien podría apuntar hacia una respuesta de esta pregunta eterna.
Su medición parece decir que para un conjunto particular de partículas subatómicas, la materia y la antimateria actúan de manera diferente.
Materia vs. Antimateria
Utilizando el acelerador J-PARC, situado en Tokai, Japón, los científicos dispararon un haz de partículas subatómicas fantasmales llamadas neutrinos y sus homólogos de antimateria (antineutrinos) a través de la Tierra hasta el experimento Super Kamiokande, situado en Kamioka, también en Japón. Este experimento, llamado T2K (Tokai to Kamiokande), está diseñado para determinar por qué nuestro universo está hecho de materia. Un comportamiento peculiar exhibido por los neutrinos, llamado oscilación de neutrinos, podría arrojar algo de luz sobre este problema tan enojoso.
Preguntar por qué el universo está hecho de materia puede parecer una pregunta peculiar, pero hay una muy buena razón para que los científicos se sorprendan por ello. Es porque, además de conocer la existencia de la materia, los científicos también conocen la antimateria.
En 1928, el físico británico Paul Dirac propuso la existencia de la antimateria, un hermano antagónico de la materia. Si se combinan cantidades iguales de materia y antimateria, ambas se aniquilan mutuamente, con lo que se libera una enorme cantidad de energía. Y, como los principios de la física suelen funcionar igual de bien a la inversa, si se tiene una cantidad prodigiosa de energía, ésta puede convertirse en cantidades exactamente iguales de materia y antimateria. La antimateria fue descubierta en 1932 por el estadounidense Carl Anderson y los investigadores han tenido casi un siglo para estudiar sus propiedades.
Sin embargo, esa frase «en cantidades exactamente iguales» es el quid de la cuestión. En los breves momentos inmediatamente posteriores al Big Bang, el universo estaba lleno de energía. Al expandirse y enfriarse, esa energía debería haberse convertido en partículas subatómicas de materia y antimateria a partes iguales, que deberían ser observables hoy en día. Y, sin embargo, nuestro universo consiste esencialmente en materia. ¿Cómo puede ser eso?
Contando el número de átomos del universo y comparándolo con la cantidad de energía que vemos, los científicos determinaron que «exactamente igual» no es del todo correcto. De alguna manera, cuando el universo tenía una décima de trillonésima de segundo, las leyes de la naturaleza se inclinaron ligeramente hacia la materia. Por cada 3.000.000.000 de partículas de antimateria, había 3.000.000.001 de partículas de materia. Los 3.000 millones de partículas de materia y los 3.000 millones de partículas de antimateria se combinaron, y se aniquilaron de nuevo en energía, dejando el ligero exceso de materia para formar el universo que vemos hoy.
Desde que se comprendió este enigma hace casi un siglo, los investigadores han estado estudiando la materia y la antimateria para ver si podían encontrar un comportamiento en las partículas subatómicas que explicara el exceso de materia. Están seguros de que la materia y la antimateria se fabrican en cantidades iguales, pero también han observado que una clase de partículas subatómicas llamadas quarks presentan comportamientos que favorecen ligeramente a la materia sobre la antimateria. Esa medición en particular fue sutil, ya que involucró a una clase de partículas llamadas mesones K que pueden convertirse de materia a antimateria y viceversa. Pero hay una ligera diferencia en la conversión de la materia en antimateria con respecto a la inversa. Este fenómeno fue inesperado y su descubrimiento condujo al premio Nobel de 1980, pero la magnitud del efecto no fue suficiente para explicar por qué la materia domina en nuestro universo.
Haces fantasmas
Por ello, los científicos han dirigido su atención a los neutrinos, para ver si su comportamiento puede explicar el exceso de materia. Los neutrinos son los fantasmas del mundo subatómico. Al interactuar únicamente a través de la fuerza nuclear débil, pueden atravesar la materia sin interactuar prácticamente. Para dar una idea de la escala, los neutrinos se crean más comúnmente en las reacciones nucleares y el mayor reactor nuclear que existe es el Sol. Para protegerse de la mitad de los neutrinos solares se necesitaría una masa de plomo sólido de unos 5 años luz de profundidad. Los neutrinos realmente no interactúan mucho.
Entre 1998 y 2001, una serie de experimentos -uno con el detector Super Kamiokande y otro con el detector SNO en Sudbury, Ontario- demostraron definitivamente que los neutrinos también presentan otro comportamiento sorprendente. Cambian su identidad.
Los físicos conocen tres tipos distintos de neutrinos, cada uno de ellos asociado a un único hermano subatómico, llamados electrones, muones y taus. Los electrones son los causantes de la electricidad y el muón y la partícula tau son muy parecidos a los electrones, pero más pesados e inestables.
Los tres tipos de neutrinos, llamados neutrino electrón, neutrino muón y neutrino tau, pueden «transformarse» en otros tipos de neutrinos y volver a hacerlo. Este comportamiento se llama oscilación de neutrinos.
La oscilación de neutrinos es un fenómeno exclusivamente cuántico, pero es aproximadamente análogo a empezar con un bol de helado de vainilla y, después de ir a buscar una cuchara, volver para encontrar que el bol es mitad vainilla y mitad chocolate. Los neutrinos cambian su identidad y pasan de ser enteramente de un tipo, a una mezcla de tipos, a un tipo completamente diferente, y luego vuelven al tipo original.
Oscilaciones de antineutrinos
Los neutrinos son partículas de materia, pero también existen neutrinos de antimateria, llamados antineutrinos. Y eso nos lleva a una cuestión muy importante. Los neutrinos oscilan, pero ¿los antineutrinos también oscilan y lo hacen exactamente igual que los neutrinos? La respuesta a la primera pregunta es sí, mientras que la respuesta a la segunda no se conoce.
Consideremos esto un poco más a fondo, pero de forma simplificada: Supongamos que sólo hubiera dos tipos de neutrinos: el muón y el electrón. Supongamos además que tuviéramos un haz de neutrinos de tipo muón exclusivamente. Los neutrinos oscilan a una velocidad determinada y, dado que se mueven cerca de la velocidad de la luz, oscilan en función de la distancia desde donde fueron creados. Así, un haz de neutrinos de muones puros se parecerá a una mezcla de tipos de muones y electrones a cierta distancia, luego a tipos de electrones puros a otra distancia y después volverá a ser sólo de muones. Los neutrinos de antimateria hacen lo mismo.
Sin embargo, si los neutrinos de materia y antimateria oscilan a ritmos ligeramente diferentes, se esperaría que si se está a una distancia fija del punto en el que se creó un haz de neutrinos de muones puros o de antineutrinos de muones, entonces en el caso de los neutrinos se vería una mezcla de neutrinos de muones y electrones, pero en el caso de los neutrinos de antimateria, se vería una mezcla diferente de neutrinos de muones y electrones antimateria. La situación real se complica por el hecho de que hay tres tipos de neutrinos y la oscilación depende de la energía del haz, pero estas son las grandes ideas.
La observación de las diferentes frecuencias de oscilación de los neutrinos y antineutrinos sería un paso importante para comprender el hecho de que el universo está hecho de materia. No es toda la historia, porque también deben darse nuevos fenómenos adicionales, pero la diferencia entre neutrinos de materia y antimateria es necesaria para explicar por qué hay más materia en el universo.
En la teoría actual predominante que describe las interacciones de los neutrinos, hay una variable que es sensible a la posibilidad de que los neutrinos y los antineutrinos oscilen de forma diferente. Si esa variable es cero, los dos tipos de partículas oscilan a idéntica velocidad; si esa variable difiere de cero, los dos tipos de partículas oscilan de forma diferente.
Cuando T2K midió esta variable, encontró que era inconsistente con la hipótesis de que los neutrinos y los antineutrinos oscilan idénticamente. Un poco más técnicamente, determinaron un rango de valores posibles para esta variable. Hay un 95 por ciento de posibilidades de que el verdadero valor de esa variable esté dentro de ese rango y sólo un 5 por ciento de posibilidades de que la verdadera variable esté fuera de ese rango. La hipótesis de «ninguna diferencia» está fuera del rango del 95 por ciento.
En términos más sencillos, la medición actual sugiere que los neutrinos y los neutrinos de antimateria oscilan de forma diferente, aunque la certeza no alcanza el nivel para hacer una afirmación definitiva. De hecho, los críticos señalan que las mediciones con este nivel de significación estadística deben ser vistas con mucho, mucho escepticismo. Pero no cabe duda de que se trata de un resultado inicial enormemente provocador, y la comunidad científica mundial está muy interesada en ver estudios mejorados y más precisos.
El experimento T2K seguirá registrando datos adicionales con la esperanza de realizar una medición definitiva, pero no es el único juego en la ciudad. En el Fermilab, situado en las afueras de Chicago, un experimento similar llamado NOVA está disparando neutrinos y neutrinos de antimateria al norte de Minnesota, con la esperanza de superar al T2K. Y, mirando más hacia el futuro, el Fermilab está trabajando intensamente en lo que será su experimento estrella, llamado DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), que tendrá capacidades muy superiores para estudiar este importante fenómeno.
Aunque el resultado del T2K no es definitivo y se justifica la precaución, es ciertamente tentador. Dada la enormidad de la cuestión de por qué nuestro universo parece no tener antimateria apreciable, la comunidad científica mundial esperará con avidez nuevas actualizaciones.
Publicado originalmente en Live Science.
Don Lincoln es investigador de física en el Fermilab. Es autor de «El Gran Colisionador de Hadrones: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind» (Johns Hopkins University Press, 2014), y produce una serie de vídeos de educación científica. Sígalo en Facebook. Las opiniones expresadas en este comentario son suyas.
Don Lincoln contribuyó con este artículo a Voces expertas de Live Science: Op-Ed & Insights.
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