Por qué la materia gobierna sobre la antimateria en el universo: neutrinos oscilantes echan nuevas luces

El experimento T2K encontró pistas de que los neutrinos pueden comportarse de manera diferente que sus parejas en la antimateria. En una posible observación de un neutrino de electrones, los puntos coloreados representan sensores que observan la luz del neutrino que interactúa (Observatorio Kamioka).

En un inicio, materia y antimateria existían en proporciones similares, y por un momento, estuvo bien. Pero el universo que hoy —13.800 millones de años luego del Big Bang— conocemos, es gobernado ampliamente por la materia, siendo la antimateria su contraparte frente al espejo, si se quiere, aunque presente en menor medida. Partículas frente a antipartículas. En el caso de los electrones, por ejemplo, su complemento en el reino de la antimateria es el de un antielectrón, una partícula con una carga opuesta, positiva, llamada positrón.

Siendo esquiva en un universo gobernado por la materia, la antimateria habría cedido su lugar, en lo que fue la pérdida del equilibrio inicial, para dar paso a la condición en que existe nuestro mundo y que se sustenta en el concepto de violación de la simetría carga-paridad (CP). La simetría indica que las leyes de la física deberían ser iguales si reflejan en el espejo de la antimateria (paridad), aunque con una variación en aspectos fundamentales (carga).

Así, si bien intuitivamente deberíamos asumir que las partículas se comportan de manera opuesta y proporcional a sus antipartículas (como cuando uno baila frente a un espejo), la violación de la simetría CP establece que en realidad materia y antimateria se comportan de manera distinta (imagínate de nuevo bailando frente al espejo y que tu reflejo, en vez de mover un brazo como tú, moviera solo la ceja). Y esta distinción es lo que provocó la pérdida del equilibrio materia-antimateria en el Big Bang y, consecuentemente, puso a cargo a la materia en la constitución del universo.

Claro está, la violación de la simetría CP es un concepto que hasta hace poco había sido escasamente documentado en experimentos con partículas. Hoy, que los estudios presentados este mes en un coloquio de la Organización de Investigación del Acelerador de Alta Energía, KEK, en Tsukuba, Japón, refuerzan esta teoría, la ciencia avanza un poco más en la búsqueda por responder qué hace que la materia gobierne el universo sobre la antimateria.

Neutrinos en oscilación: la pista principal

El trabajo sugiere que los neutrinos podrían comportarse de manera diferente a sus contrapartes de antimateria, esto es, que los neutrinos y antineutrinos no oscilan con la misma probabilidad. Los neutrinos existen en tres tipos electrónico, muónico y tauónico. En su caso, la violación del CP se puede medir observando cómo oscilan, o cambian, de un tipo a otro. Los investigadores del experimento T2K encontraron que los neutrinos de muón se transformaron en neutrinos electrónicos más a menudo de lo esperado, mientras que los antineutrinos muónicos se convirtieron en antineutrinos electrónicos con menos frecuencia. Ello propone que los neutrinos estaban violando la simetría CP, concluyeron los investigadores.

El experimento T2K produce un haz de neutrinos muónicos en el Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) en Tokai, Japón. Los neutrinos colisionan con protones de una energía de 30 GeV producidos el anillo principal del J-PARC sobre un blanco cilíndrico produciendo un intenso haz de partículas secundarias que se enfoca y filtra mediante lentes magnéticas. Estas determinan qué partículas se desprenden del intenso haz, si neutrinos o antineutrinos muónicos.

Desequilibrio observado

Así, el T2K observó 89 neutrinos electrónicos tras una colisión que se esperaba produjera aproximadamente 67 neutrinos (si no hubiera violación de la simetría CP); asimismo, 7 antineutrinos electrónicos cuando se esperaban aproximadamente 9. Los datos excluyen la conservación de la simetría CP al nivel de confianza del 95%.

Aunque el nuevo trabajo se basa en aproximadamente el doble de datos que otros anteriores en la misma línea, la evidencia aún no es definitiva. En física experimental, solo los hallazgos que obtienen un indicador estadístico de 5 sigmas pueden ser considerados como descubrimientos científicos propiamente, esto es, explican un aspecto del universo físico. Lo hallado por el T2K solo llega a los dos sigmas, aunque podría alcanzar los tres en 2026. Y otro experimento similar, el DUNE, ahora en construcción en el Sanford Underground Research Laboratory en Lead, S.D., puede llegar a cinco sigma. Como sea, la ciencia empieza a acelerar en el camino hacia la explicación de cómo es que la materia se impone a la antimateria en el universo que habitamos.

Hans Huerto

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