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Físicos de la UCR y de China intentan resolver el misterio de la asimetría del universo

Desde el punto de vista de la física, la materia y la antimateria tienen “derechos a existir” absolutamente iguales. Pero en nuestro mundo, estamos rodeados casi exclusivamente de materia, mientras que su opuesto ocurre muy raramente durante algunas reacciones nucleares. También se puede obtener artificialmente en aceleradores de partículas, gastando mucha energía. ¿De dónde provino tal “sesgo” hacia uno de los tipos de sustancia? El personal de la Universidad de California en Riverside, junto con colegas de la Universidad de Tsinghua en China, intentaron responder a esta pregunta. Los resultados de su estudio conjunto se publican en la revista Physical Review Letters.

Según las ideas modernas, en los primeros momentos de su existencia, el universo estaba lleno de igual número de partículas de materia y antimateria. Estos últimos tienen la misma masa que sus contrapartes materiales, pero la carga eléctrica opuesta, y en el caso de los neutrones y neutrinos, el espín opuesto. Con el tiempo, el espacio se expandió, la materia que contenía se enfrió y las partículas «normales» pudieron interactuar con las antipartículas, es decir, aniquilarse con la transformación completa de la masa total en energía. Pero al final, un tipo de partícula resultó ser un poco más. En este “pedacito” (según los cálculos, es aproximadamente la cien millonésima parte de la masa primaria total del Universo), vivimos ahora. Se compone de todas las estrellas, planetas, galaxias, materia interestelar e intergaláctica: todo lo que los astrónomos registran durante las observaciones en todos los rangos de ondas electromagnéticas, desde la radiación de radio hasta la radiación gamma.

Cada partícula elemental que forma la materia circundante (a la izquierda) corresponde a una antipartícula de igual masa con carga o espín opuesto. De arriba a abajo: electrón-positrón, protón-antiprotón, neutrón-antineutrón

Hoy en día, los científicos están construyendo colisionadores superpoderosos donde las partículas elementales subatómicas chocan en condiciones de energías ultra altas. El más famoso de estos dispositivos es, por supuesto, el Gran Colisionador de Hadrones. Durante tales colisiones, se forman partículas inestables aún más pesadas, cuyo estudio nos permite aprender más sobre la naturaleza de la materia. Sin embargo, en el Universo primitivo, las condiciones eran aún más duras, la densidad de la materia era mayor y la energía de las colisiones era miles de millones de veces mayor. De hecho, entonces el colisionador más poderoso de todos los posibles «funcionó», formando partículas mucho más pesadas. Podrían convertirse en responsables de la futura “asimetría universal”.

Debido a su gran masa, estas partículas formaron las primeras perturbaciones en la materia primaria previamente homogénea. En cierta etapa de la evolución del Universo, como ahora se cree, experimentó inflación, una expansión corta pero completa a una velocidad muchas veces más rápida que la velocidad de la luz. Todas las heterogeneidades que habían logrado surgir en él en este momento adquirieron inmediatamente escalas cosmológicas y luego se convirtieron en los «embriones» de futuras concentraciones de materia, a partir de las cuales se formaron estrellas, galaxias y toda la estructura a gran escala de nuestro mundo.

Los autores del artículo sugirieron que al estudiar la estructura a gran escala del Universo, que hoy se manifiesta, por ejemplo, en forma de distribución de galaxias en el cielo y el patrón de falta de homogeneidad en la temperatura de la radiación de microondas reliquia, seremos capaces de descifrar la física de las partículas subatómicas pesadas. Y luego, sabiendo esto, podemos pasar a la física de las partículas más ligeras, los llamados leptones. Es a su nivel que comienza la asimetría entre materia y antimateria. Especialmente importantes en este sentido son los mecanismos de aparición del llamado neutrino diestro.

“El hecho de que la materia domine nuestro Universo sigue siendo uno de los misterios más antiguos y confusos de la física moderna”, explica el sujeto de su investigación, Jan Kui, de la Universidad de California en Riverside. — Es necesario un sutil desequilibrio o asimetría entre la materia y la antimateria en el Universo primitivo para lograr el dominio actual de la materia, pero no puede realizarse dentro de las leyes conocidas de la física fundamental”.

Una de las oportunidades para mirar detrás de escena de estos procesos es el estudio de la leptogénesis, la síntesis de partículas elementales de luz, las más famosas de las cuales son los electrones. Durante mucho tiempo, esto se consideró imposible, aunque solo fuera porque la masa del neutrino dextrógiro supera en muchos órdenes de magnitud el potencial de los colisionadores más potentes jamás construidos. Pero si consideramos que el Universo primario es un colisionador de este tipo, podemos aprender muchas cosas interesantes sobre la aparición de tales neutrinos analizando la distribución de las galaxias y el «patrón» de la temperatura de la radiación de microondas. “Las condiciones para generar asimetría, incluyendo la interacción y la masa del neutrino dextrógiro… pueden dejar huellas características en las estadísticas de la distribución espacial de las galaxias o el fondo cósmico de microondas, que pueden medirse con precisión”, explicó el científico. “Las observaciones astrofísicas que se llevarán a cabo en los próximos años pueden detectar tales señales y desentrañar el origen cósmico de la materia”. Como señala un grupo de investigadores en las conclusiones de su artículo, la aplicación de la física del colisionador cosmológico será posible después de la finalización de los experimentos astrofísicos del futuro cercano, como SPHEREx. Nos proporcionarán datos más precisos sobre la estructura de nuestro Universo, y estaremos un paso más cerca de resolver el misterio del origen de la materia.

Con información de UniverseMagazine

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Homer Dávila. Máster en geología. Miembro de la International Meteor Organization. Astronomía, radioastronomía, cosmología y ciencia planetaria.
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