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¿Por qué hay materia en el universo?

El experimento japonés T2K halla indicios de una diferencia clave en el comportamiento de neutrinos y antineutrinos. En caso de confirmarse, el resultado podría explicar por qué la materia dominó sobre la antimateria en el origen del cosmos.

Interior del detector subterráneo de neutrinos Super-Kamiokande, en Japón. [EXPERIMENTO T2K, http://t2k-experiment.org]

Toda la materia visible del universo se compone en última instancia de partículas elementales. De ellas, las conocidas como fermiones se clasifican a su vez en dos tipos: quarks (que dan lugar a partículas compuestas, como el protón o el neutrón) y leptones. Estos últimos comprenden el electrón, el muon, la partícula tau y los neutrinos.

Por cada tipo de partícula elemental existe una antipartícula con las mismas propiedades pero de carga opuesta. El ejemplo más conocido tal vez sea el del positrón, la antipartícula del electrón. Durante mucho tiempo se pensó que, en un «mundo especular» hecho de antimateria, las antipartículas deberían comportarse de la misma manera que sus homólogas de materia. Sin embargo, desde los años sesenta sabemos que los quarks y los antiquarks no respetan dicha simetría. Ahora, un trabajo publicado en Nature por la colaboración internacional T2K ha referido indicios de que la misma violación de simetría podría darse también en los leptones: un resultado largamente buscado y que afecta de manera profunda a nuestra comprensión de las leyes físicas fundamentales y la evolución del universo.

La mencionada simetría entre partículas y antipartículas se conoce con el nombre técnico de «simetría de paridad y conjugación de carga» (CP). La transformación asociada combina el intercambio de cada partícula por su correspondiente antipartícula, así como la reflexión especular de su posición y su movimiento. En otras palabras: si se respetara la simetría CP, las leyes que gobernarían un «universo especular» hecho de antimateria deberían ser idénticas a las leyes físicas que conocemos. Pero ¿por qué se rompe la simetría CP? ¿Cuáles son las consecuencias de dicha ruptura?

 

Universo asimétrico

En 1967, el físico Andréi Sájarov propuso que la violación de la simetría CP era uno de los requisitos clave para explicar por qué nuestro universo parece tener una pequeña preferencia por la materia frente a la antimateria. Dicho desequilibrio, cuantificado en unas pocas partículas por cada 10.000 millones de fotones, es en última instancia el responsable de la existencia de los planetas, las estrellas y de nosotros mismos. Si el universo hubiera comenzado con cantidades exactamente iguales de partículas y antipartículas, unas y otras se habrían aniquilado poco después de la gran explosión y hoy el cosmos solo contendría fotones.

¿Cómo surgió ese pequeño exceso de materia en los primeros instantes del universo? Aunque sabemos que los quarks no respetan la simetría CP, dicha violación es demasiado pequeña para haber generado toda la materia que vemos hoy a nuestro alrededor. Por esa razón, hace tiempo que los físicos estudian la posible violación de la simetría CP en el sector leptónico. Según algunos de los modelos que se han postulado para explicar la masa de los neutrinos, estos tendrían asociados ciertos compañeros muy masivos aún por descubrir. Estos habrían abundado en el universo primitivo y, poco después, se habrían desintegrado. En caso de violarse la simetría CP en este sector, tales desintegraciones podrían haber generado el desequilibrio observado entre materia y antimateria.

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