En nuestra vida diaria, estamos
acostumbrados a interactuar constantemente con objetos sólidos. Desde las
bolsas de la compra a los automóviles, las casas, nuestros vecinos o el suelo
mismo que pisamos, todo a nuestro alrededor es masivo y consistente.
Pero no hay que llevarse a engaño. La existencia misma de materia en el
Universo es una de las cuestiones que más atormentan a los físicos. ¿La razón?
Porque, sencillamente, tal cosa no debería existir.
Durante el Big Bang, en efecto, debió de producirse exactamente la misma cantidad de materia que de antimateria. Una partícula de antimateria es igual a su correspondiente partícula de materia, con la única diferencia de que posee la carga eléctrica contraria. La «antipartícula» del electrón, por ejemplo, e el positrón. De igual modo, tenemos antiprotones, antineutrones, antineutrinos.
Casi todas las partículas que existen en
la Naturaleza tienen una antipartícula asociada. Y cuando una partícula
se encuentra con su antipartícula, el resultado es inevitable: las dos
se destruyen de forma instantánea en una pequeña explosión
de energía.
Es
decir, que en el origen del Universo todas las partículas creadas habrían
tenido que aniquilarse con sus correspondientes antipartículas. Y la materia,
por lo tanto, no debería existir.
Sin embargo, basta con echar un vistazo a nuestro alrededor para ver que eso no ha sucedido. Formamos parte de un planeta hecho de materia, alrededor de un Sol hecho de materia, dentro de una galaxia hecha de materia. Y hasta donde alcanzan los telescopios, billones de galaxias hechas de materia se distribuyen a lo largo de todo el firmamento. Pero ni rastro de la antimateria correspondiente.
Algo debió suceder
Evidentemente, algo no cuadra. Y si existe
la misma cantidad de materia que de antimateria, ¿dónde está la
antimateria que aparentemente falta en el Universo? ¿Por qué no
podemos ver, por ejemplo, estrellas o incluso galaxias enteras hechas de
antimateria? Algo debió de suceder, en el principio de los tiempos, para que la
simetría se rompiera y el Big Bang «fabricará» más partículas que
antipartículas, más materia que antimateria.
De este
modo, toda la antimateria se habría destruido al encontrarse con la inmensa
mayor parte de la materia creada en el Big Bang, tal y como predicen las
teorías, dejando atrás ese pequeño exceso de materia que dio origen a todo lo
que hoy podemos ver. Algunos cálculos indican que para que el Universo sea tal
y como es, habría bastado un exceso de materia de una sola partícula por cada
billón.
Por supuesto,y aunque resulta difícil
verla en la naturaleza, es perfectamente posible fabricar partículas de
antimateria en un laboratorio. Los físicos lo han hecho muchas veces, aunque
para estudiarlas se han visto obligados a construir trampas
electromagnéticas capaces de contenerlas. Ningún recipiente material,
en efecto, podría hacerlo, ya que la antipartícula quedaría destruida en el
momento mismo de entrar en contacto con cualquier partícula del recipiente.
La
cuestión, pues, lleva atormentando a los científicos desde hace décadas, y
nadie hasta ahora ha encontrado una respuesta a un misterio que afecta
directamente a nuestra propia existencia.
Un estudio prometedor
Ahora, sin embargo, un equipo de
investigadores liderado por físicos de la universidad japonesa de Kanazawa ha
dado un importante paso en este sentido, proponiendo un nuevo marco matemático
para comprender mejor las propiedades de un tipo de partícula que podría tener
todas las respuestas: el neutrino. El trabajo, recién publicado en «Physical review D» podría, de hecho,
ayudar a los cosmólogos a explicar la aparente paradoja de la existencia de
materia en el Universo.
Todo lo que sabemos sobre la materia y las
leyes que gobiernan su comportamiento se recoge en una de las teorías más
exitosas de todos los tiempos, el Modelo Estándar de la Física de
partículas. Formulada a principios de la década de los 70, casi todas
sus predicciones se han podido demostrar en experimentos de
laboratorio. La teoría llegó a la cima de su éxito en 2012 tras el
descubrimiento de la última de las partículas que predecía, el bosón de Higgs.
Sin
embargo, el Modelo Estándar no nos dice nada sobre el aparente exceso de
materia en el Universo, ni tampoco resuelve otro de los principales problemas
de la Cosmología, la existencia de materia oscura, ese «otro» tipo de materia
que no podemos ver, porque no emite radiación, pero que sabemos que está ahí
porque ejerce un poderoso efecto gravitatorio sobre la materia visible.
El papel de los neutrinos
Muchos científicos creen que la mayoría de
esas respuestas pueden estar en los neutrinos, diminutas partículas que apenas
interaccionan con las demás y que recorren a sus anchas el Universo de extremo
a extremo. Creados por reacciones nucleares como las que proporcionan
energía al Sol, los neutrinos son auténticas «partículas fantasma» que solo
en raras ocasiones interaccionan con otras partículas. Billones de ellos, en
efecto, atraviesan cada segundo nuestro cuerpo, y nuestro planeta entero, como
si no existieran y sin chocar con ninguno de sus átomos.
Los experimentos han demostrado que,
aunque no carecen de masa, los neutrinos son mucho más ligeros (incluso
millones de veces) que el resto de las partículas, Y eso ha llevado a los
físicos a plantear la hipótesis de que los neutrinos obtienen su masa a través
de un proceso totalmente distinto que el resto de las partículas. Un proceso
que se conoce como el «mecanismo del balancín».
Y ahora, los investigadores de Kanazawa
han desarrollado una nueva teoría para explicar las inusuales
propiedades de los neutrinos: «Utilizamos los mecanismos de balancín con
operadores de cinco o siete dimensiones -explica Mayumi Aoki, primer firmante
del estudio- para describir la interacción de un neutrino con dos partículas de
leptones y dos bosones W portadores de fuerza».
Según el Modelo Estándar, las partículas
subatómicas se dividen en dos grandes categorías: los fermiones, que
constituyen la materia, y los bosones, que son los que transportan las unidades
mínimas de las cuatro fuerzas conocidas de la Naturaleza (los bosones W, junto
a los Z, son portadores de la fuerza nuclear débil, que produce la
desintegración radiactiva de los átomos). Los fermiones, a su vez, se
dividen en dos familias: los quarks, que se unen en tríos para formar los
protones y neutrones de los núcleos atómicos; y los leptones, como
el electrón o el neutrino.
«Para conseguir ir más allá del Modelo
Estándar -prosigue Aoki- tenemos que ser capaces de explicar por qué en
ocasiones se viola el principio de conservación de leptones, aunque sea en un
grado muy pequeño. Incluso un pequeño desequilibrio de una parte en un billón
puede explicar por qué toda la materia no fue aniquilada por la antimateria
después del Big Bang. Nuestro trabajo explica el origen de la masa de los
neutrinos y también proporciona predicciones que son directamente
comprobables por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC)».
No
queda, pues, más que acudir al gran acelerador LHC y poner en marcha un
experimento que verifique la nueva teoría. Si se consigue, se habrá demostrado
que las pequeñísimas masas de los neutrinos podrían ser la clave para resolver
algunos de los mayores misterios del Universo en que vivimos.
Bibliografía
: Probing charged lepton number violation via ll0W∓W∓ Mayumi Aoki,1,* Kazuki Enomoto ,2,† and Shinya Kanemura2,‡ 1 Institute
for Theoretical Physics, Kanazawa University, Kanazawa 920-1192, Japan 2
Department of Physics, Osaka University, Toyonaka, Osaka 560-0043, Japan
(Received 28 February 2020; accepted 27 May 2020; published 17 June 2020)
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