¿Por qué existe el universo? El CERN halla nuevas claves sobre cómo la materia venció a la antimateria

¿Por qué existe algo en lugar de nada? La respuesta a la pregunta más importante de la física está un poco más cerca gracias a los resultados obtenidos, después de años de esfuerzos, en el experimento LHCb. Mediante millones de colisiones de partículas en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, un equipo internacional de investigadores ha conseguido documentar por primera vez cómo la materia le gana la partida a la antimateria en desintegraciones de bariones y antibariones, lo más parecido a asomarse por una mirilla a los primeros instantes del universo.

Esta lucha entre materia y la antimateria se remonta a los primeros instantes del Big Bang, en los que ambos tipos de partículas se crearon en la misma proporción y empezaron a aniquilarse entre sí. Sin embargo, un desequilibro en favor de la primera dio lugar al universo tal y como lo conocemos, en el que la materia ha ganado claramente la partida, aunque no sabemos cómo lo hizo. Tampoco sabemos si una situación diferente habría supuesto la aniquilación de todo o la existencia de un universo alternativo de antimateria.

Hasta ahora, los físicos habían conseguido observar este efecto, predicho teóricamente y bautizado como violación de la paridad de carga (CP), en partículas subatómicas llamadas mesones, pero nunca antes lo habían observado en bariones, que constituyen la mayor parte de la materia del universo observable. Eso es lo ha conseguido un equipo internacional de la colaboración LHCb, que anuncia los resultados este miércoles en la revista Nature.

Un 2 por ciento de diferencia

“Hacemos colisionar partículas con mucha energía, tanta, que produce nueva materia”, explica Fernando Martínez Vidal, investigador del Instituto de Física Corpuscular (IFIC) y miembro del experimento LHCb. En ese proceso, y durante una millonésima fracción de segundo, se crean partículas y antipartículas de las que se estudian sus características. Han sido necesarios varios años de trabajo para acumular suficientes datos y desarrollar las metodologías de análisis que han permitido alcanzar unos niveles de precisión sin precedentes en estas medidas con bariones.

“Lo que vemos es que hay un poquito más de desintegración —apenas un 2%— a favor de la materia”, resume Martínez. “Es decir, sobreviven más bariones que antibariones y, por lo tanto, el mecanismo que hace que se desintegren es diferente”. Eso es lo mismo que ocurrió en el Big Bang, aunque no sirve para explicar todo lo que pasó entre materia y antimateria en ese primer momento, advierte. “Esto es solo una porción marginal en relación a lo que observamos en la naturaleza, es decir, que tiene que haber nuevas fuentes que permitan romper esta simetría de materia-antimateria”.

Un evento LHCb típico, con una reconstrucción del choque de partículas.

“Lo interesante aquí es que hemos conseguido verlo en bariones, donde el efecto es minúsculo”, explica María Vieites Díaz, coordinadora adjunta de física del LHCb. “Somos capaces de medir con una precisión mucho mayor de lo que teníamos hasta ahora este tipo de asimetrías”. Y, aunque ese 2% de diferencia no es suficiente para explicar por qué la materia venció a la antimateria, abre nuevas puertas para revisar el modelo.

“Con la cantidad de asimetría que estamos midiendo, y la que predice el Modelo Estándar, no habríamos llegado al universo tal y como lo conocemos, habría muchísima menos materia”, señala la experta. “Este 2% es un trocito de toda la asimetría, toda la asimetría en todos los posibles canales de desintegración de todas las posibles partículas que conocemos no llega para explicar lo que vemos en el universo. Necesitamos encontrar más fuentes de esta asimetría”.

Instalaciones del LHCb.

“Nuestro resultado no lo explica todo, pero abre la puerta a un nuevo tipo de mediciones que quizá nos puedan llevar a esa violación necesaria para explicar nuestro universo actual”, recalca Xabier Cid Vidal, miembro del experimento LHCb y profesor titular en el IGFAE. “Necesitamos encontrar una medida experimental que se escape del modelo y nos ayude a reconciliar nuestras medidas en los aceleradores con lo que sucedió en el Big Bang”, prosigue. “Imagínate que hubiese una fuerza nueva, que no detectamos aún con nuestros aceleradores, pero que induce una mayor cantidad de violación CP, eso nos daría la asimetría que nos falta”.

“Fuerte, pero tardío”

Para Enrique Borja, físico y divulgador, lo más interesante es la fortaleza estadística del experimento. “Esto es un resultado fuerte, la probabilidad de que sea por puro azar es 1 entre 5 millones, de modo que podemos hablar de un descubrimiento a falta de análisis posteriores y de reconfirmación experimental en otros canales, otras partículas y en otros aceleradores”, asegura. “El resultado no puede explicar la diferencia tan brutal que observamos en el universo y nos indica que hay que seguir buscando nueva física más allá del Modelo Estándar”.

“Por desgracia, este resultado sigue siendo insuficiente”, coincide el físico y matemático Francis Villatoro. “Se necesitan nuevas fuentes de asimetría CP, que podrían estar en la física de los neutrinos o en la llamada nueva física más allá del Modelo Estándar”. En su opinión, el nuevo resultado no pilla por sorpresa a nadie, pues se esperaba su observación desde que el LHC inició sus colisiones entre protones. “Estamos ante una gran noticia, pero que nos deja un poco decepcionados por lo tardío de su anuncio”.

“La asimetría materia-antimateria tiene su origen en alguna interacción adicional desconocida que no es simétrica bajo la transformación CP”, asegura Antonio Pich, catedrático de Física Teórica en el Instituto de Física Corpuscular (IFIC), en declaraciones al SMC. “Contrastar el resultado experimental con la teoría es fundamental para establecer si hay o no efectos más allá del Modelo Estándar que puedan estar contribuyendo a este proceso”, añade Pilar Hernández, catedrática de Física Teórica de la Universitat de València.

“Creo que supone un pasito más en el largo camino de la ciencia; en este caso en particular, pues era un resultado largamente buscado y esperado, con una precisión muy alta”, comenta Javier Fernández Menéndez, profesor titular del departamento de Física de la Universidad de Oviedo, al SMC. “Entender por qué estamos hechos de materia y no de antimateria (protones positivos en lugar de antiprotones negativos, por ejemplo) es una de las piezas clave en el entendimiento de nuestro universo”.

“Claramente estamos aquí por esa ruptura, porque si no hubiera ruptura de simetría se hubiera aniquilado todo, no existiría el universo, no existiríamos nosotros”, concluye Martínez Vidal. Esto es ciencia fundamental para entender la naturaleza, recuerda, pero tiene efectos en nuestras vidas. “Muchos desarrollos tecnológicos para poder hacer esa física acaban en impacto en el ámbito social, médico o industrial. La antimateria la estamos usando en los hospitales, por darte un ejemplo, en la tomografía por emisión de positrones. Quién sabe qué nuevos caminos se están abriendo ahora”.