Los científicos se deleitan en explorar misterios, y cuanto mayor es el misterio, mayor es el entusiasmo. Hay muchas grandes preguntas sin respuesta en la ciencia, pero cuando te vuelves grande, es difícil de superar "¿Por qué hay algo, en lugar de nada?"
Puede parecer una pregunta filosófica, pero es muy susceptible de investigación científica. Dicho de manera un poco más concreta, "¿Por qué el universo está hecho de los tipos de materia que hacen posible la vida humana para que incluso podamos hacer esta pregunta?" Los científicos que realizan investigaciones en Japón han anunciado una medida el mes pasado que aborda directamente las consultas más fascinantes. Parece que su medición no está de acuerdo con las expectativas más simples de la teoría actual y bien podría apuntar hacia una respuesta a esta pregunta intemporal.
Su medición parece decir que para un conjunto particular de partículas subatómicas, la materia y la antimateria actúan de manera diferente.
Materia v. Antimateria
Usando el acelerador J-PARC, ubicado en Tokai, Japón, los científicos dispararon un haz de partículas subatómicas fantasmales llamadas neutrinos y sus contrapartes de antimateria (antineutrinos) a través de la Tierra hasta el experimento Super Kamiokande, ubicado en Kamioka, también en Japón. Este experimento, llamado T2K (Tokai to Kamiokande), está diseñado para determinar por qué nuestro universo está hecho de materia. Un comportamiento peculiar exhibido por los neutrinos, llamado oscilación de neutrinos, podría arrojar algo de luz sobre este problema tan irritante.
Preguntar por qué el universo está hecho de materia puede sonar como una pregunta peculiar, pero hay una muy buena razón por la que los científicos están sorprendidos por esto. Es porque, además de conocer la existencia de la materia, los científicos también saben de antimateria.
En 1928, el físico británico Paul Dirac propuso la existencia de la antimateria, un hermano antagónico de la materia. Combina cantidades iguales de materia y antimateria y las dos se aniquilan entre sí, lo que resulta en la liberación de una enorme cantidad de energía. Y, dado que los principios de la física generalmente funcionan igualmente bien a la inversa, si tiene una cantidad prodigiosa de energía, puede convertirse en cantidades exactamente iguales de materia y antimateria. La antimateria fue descubierta en 1932 por el estadounidense Carl Anderson y los investigadores han tenido casi un siglo para estudiar sus propiedades.
Sin embargo, esa frase "en cantidades exactamente iguales" es el quid del enigma. En los breves momentos inmediatamente posteriores al Big Bang, el universo estaba lleno de energía. A medida que se expandió y enfrió, esa energía debería haberse convertido en partes iguales de materia y partículas subatómicas antimateria, que deberían ser observables hoy. Y, sin embargo, nuestro universo se compone esencialmente de materia. ¿Como puede ser?
Al contar el número de átomos en el universo y compararlo con la cantidad de energía que vemos, los científicos determinaron que "exactamente igual" no es del todo correcto. De alguna manera, cuando el universo tenía aproximadamente una décima parte de una billonésima de segundo, las leyes de la naturaleza se inclinaban ligeramente en la dirección de la materia. Por cada 3,000,000,000 de partículas de antimateria, había 3,000,000,001 partículas de materia. Los 3 mil millones de partículas de materia y 3 mil millones de partículas de antimateria se combinaron y se aniquilaron en energía, dejando el ligero exceso de materia para formar el universo que vemos hoy.
Desde que este rompecabezas se entendió hace casi un siglo, los investigadores han estado estudiando la materia y la antimateria para ver si podían encontrar un comportamiento en las partículas subatómicas que explicaría el exceso de materia. Confían en que la materia y la antimateria se fabrican en cantidades iguales, pero también han observado que una clase de partículas subatómicas llamadas quarks exhiben comportamientos que favorecen ligeramente la materia sobre la antimateria. Esa medida en particular fue sutil, involucrando una clase de partículas llamadas mesones K que pueden convertirse de materia a antimateria y viceversa. Pero hay una ligera diferencia en la materia que se convierte en antimateria en comparación con el reverso. Este fenómeno fue inesperado y su descubrimiento condujo al premio Nobel de 1980, pero la magnitud del efecto no fue suficiente para explicar por qué la materia domina en nuestro universo.
Rayos fantasmales
Por lo tanto, los científicos han centrado su atención en los neutrinos, para ver si su comportamiento puede explicar el exceso de materia. Los neutrinos son los fantasmas del mundo subatómico. Interactuando solo a través de la débil fuerza nuclear, pueden atravesar la materia sin interactuar casi en absoluto. Para dar una idea de la escala, los neutrinos se crean más comúnmente en reacciones nucleares y el mayor reactor nuclear alrededor es el Sol. Para protegerse de la mitad de los neutrinos solares se necesitaría una masa de plomo sólido de unos 5 años luz de profundidad. Los neutrinos realmente no interactúan mucho.
Entre 1998 y 2001, una serie de experimentos, uno con el detector Super Kamiokande y otro con el detector SNO en Sudbury, Ontario, demostró definitivamente que los neutrinos también exhiben otro comportamiento sorprendente. Cambian su identidad.
Los físicos conocen tres tipos distintos de neutrinos, cada uno asociado con un hermano subatómico único, llamado electrones, muones y taus. Los electrones son los que causan electricidad y las partículas de muón y tau son muy parecidas a los electrones, pero más pesadas e inestables.
Los tres tipos de neutrinos, llamados neutrinos electrónicos, neutrinos muon y neutrinos tau, pueden "transformarse" en otros tipos de neutrinos y viceversa. Este comportamiento se llama oscilación de neutrinos.
La oscilación de neutrinos es un fenómeno cuántico único, pero es más o menos similar a comenzar con un tazón de helado de vainilla y, después de ir a buscar una cuchara, regresa para descubrir que el tazón es mitad vainilla y mitad chocolate. Los neutrinos cambian su identidad de ser completamente un tipo, a una combinación de tipos, a un tipo completamente diferente, y luego de vuelta al tipo original.
Oscilaciones de antineutrinos
Los neutrinos son partículas de materia, pero también existen neutrinos antimateria, llamados antineutrinos. Y eso lleva a una pregunta muy importante. Los neutrinos oscilan, pero ¿los antineutrinos también oscilan y oscilan exactamente de la misma manera que los neutrinos? La respuesta a la primera pregunta es sí, mientras que la respuesta a la segunda no se conoce.
Consideremos esto un poco más completamente, pero de manera simplificada: supongamos que solo hay dos tipos de neutrinos: muón y electrón. Supongamos además que tienes un haz de neutrinos puramente muónicos. Los neutrinos oscilan a una velocidad específica y, dado que se mueven cerca de la velocidad de la luz, oscilan en función de la distancia desde donde fueron creados. Por lo tanto, un haz de neutrinos de muón puro se verá como una mezcla de tipos de muones y electrones a cierta distancia, luego tipos de electrones puros a otra distancia y luego volverá solo a muones. Los neutrinos antimateria hacen lo mismo.
Sin embargo, si la materia y los neutrinos antimateria oscilan a tasas ligeramente diferentes, esperarías que si estuvieras a una distancia fija del punto en el que se creó un haz de neutrinos de muón puro o antineutrinos de muón, entonces en el caso de los neutrinos verías una combinación de neutrinos de muones y electrones, pero en el caso de los neutrinos antimateria, vería una mezcla diferente de neutrinos antimateria y de electrones. La situación real se complica por el hecho de que hay tres tipos de neutrinos y la oscilación depende de la energía del haz, pero estas son las grandes ideas.
La observación de diferentes frecuencias de oscilación por neutrinos y antineutrinos sería un paso importante para comprender el hecho de que el universo está hecho de materia. No es toda la historia, porque también deben mantenerse nuevos fenómenos adicionales, pero la diferencia entre la materia y los neutrinos antimateria es necesaria para explicar por qué hay más materia en el universo.
En la teoría vigente actual que describe las interacciones de neutrinos, hay una variable que es sensible a la posibilidad de que los neutrinos y antineutrinos oscilen de manera diferente. Si esa variable es cero, los dos tipos de partículas oscilan a velocidades idénticas; Si esa variable difiere de cero, los dos tipos de partículas oscilan de manera diferente.
Cuando T2K midió esta variable, encontraron que era inconsistente con la hipótesis de que los neutrinos y antineutrinos oscilan de manera idéntica. Un poco más técnicamente, determinaron un rango de valores posibles para esta variable. Existe una probabilidad del 95 por ciento de que el valor verdadero para esa variable esté dentro de ese rango y solo una probabilidad del 5 por ciento de que la variable verdadera esté fuera de ese rango. La hipótesis de "no diferencia" está fuera del rango del 95 por ciento.
En términos más simples, la medición actual sugiere que los neutrinos y los neutrinos antimateria oscilan de manera diferente, aunque la certeza no alcanza el nivel para hacer una afirmación definitiva. De hecho, los críticos señalan que las mediciones con este nivel de significación estadística deben considerarse muy, muy escépticamente. Pero ciertamente es un resultado inicial enormemente provocativo, y la comunidad científica mundial está extremadamente interesada en ver estudios mejorados y más precisos.
El experimento T2K continuará registrando datos adicionales con la esperanza de hacer una medición definitiva, pero no es el único juego en la ciudad. En Fermilab, ubicado a las afueras de Chicago, un experimento similar llamado NOVA está disparando neutrinos y neutrinos antimateria al norte de Minnesota, con la esperanza de vencer a T2K. Y, mirando más hacia el futuro, Fermilab está trabajando duro en lo que será su experimento insignia, llamado DUNE (Experimento de neutrinos subterráneos profundos), que tendrá capacidades muy superiores para estudiar este importante fenómeno.
Si bien el resultado T2K no es definitivo y se justifica la precaución, ciertamente es tentador. Dada la enormidad de la pregunta de por qué nuestro universo parece no tener una antimateria apreciable, la comunidad científica mundial esperará con ansia más actualizaciones.
