RESUMEN
La materia podría estar formándose a partir de la energía mediante un molde de antimateria que se transformaría rápidamente en energía (de menor intensidad) en parte porque la antimateria es asimétricamente mas débil y viola la simetría CP en algunas partículas que sepamos como el quark encanto y el neutrino. Así , en un Universo estático sin principio ni fin y sin fronteras de espacio la relación de materia/energía se podría conservar en un steady state, oscilante pero continuo. La antimateria tendría su razón de ser como medio para la fabricación de materia a partir de la energía sin altas cotas de temperatura ni presión.
Es sabido que la teoría más común sobre el origen del Universo es el Big Bang o gran explosión. Tomando esta hipótesis, muchos de los fenómenos que hoy en día se observan en el mismo como su expansión, ? el fondo de microondas, etc., podrían ser correctamente explicados. Según esta teoría, el universo habría nacido a partir de un tamaño infinitesimal y luego habría iniciado una expansión hasta el tamaño actual. La pregunta que surge es :¿ cómo de pequeño era el universo en su inicio?. No podemos comprimir el universo indefinidamente ya que, en un momento dado, el tamaño alcanzará una escala en donde los fenómenos cuánticos serán notables. En ese mismo momento la gravedad será intensa y
convivirán dos fenómenos (gravedad y densidad de la materia) que la física aún no ha sido capaz de unificar. Para estudiar el fenómeno se necesitaría disponer de una teoría cuántica de la gravitación, cosa que aún no está consolidada. Existen unos primeros rudimentos sobre esta teoría y nos dice que, precisamente en esta escala es necesario detenerse. Existe una distancia mínima, llamada radio de Planck, que constituye un cuanto de espacio. Igualmente, la luz tardará un tiempo TP (tiempo de Planck) que define, igualmente,
un cuanto de tiempo. Para deducir estas cantidades, imaginemos un diminuto agujero negro cuyo radio sea lo suficientemente pequeño como para obtener efectos cuánticos. Según la definición de radio de Schwarzschild (RS) de un agujero negro, RS=2Gmp/c2, siendo mp su masa, y a la cual llamaremos masa de Planck para el caso que nos ocupa. Su radio será el recién definido radio de Planck. Según la relatividad especial, la masa de este agujero negro contiene una energía Ep=mpc2, y si como hemos supuesto, existen efectos cuánticos, habrá una indeterminación dada por el principio de Heisenberg. Combinando todo ello resulta una masa de Planck que es realmente pequeña y no ha podido dar lugar a todo el universo. Surge entonces la pregunta ¿de donde procede el resto de la masa y la energía? Existen algunos fenómenos que la teoría de la gran explosión no puede explicar o, incluso, predice efectos que contradicen la experiencia.
Tales son el problema del horizonte y la planitud. Para justificarlos se introdujo la teoría de la inflación (Alan H Guth), Aquí vemos que durante un tiempo espectacularmente corto (10-34 segundos) el universo sufrió una expansión (1060) comparable a la que sufriría un objeto desde un tamaño inferior a un protón hasta el de una galaxia. Esta expansión se produce a una velocidad enorme que se supone millones de veces más rápida que la de la luz c. Aunque esto parece violar la relatividad especial, la teoría general de la relatividad permite expandirse al espacio sin limitación alguna.
En estos instantes, la métrica del espacio-tiempo es tal que arrastraría a la luz consigo, alcanzando valores muy superiores al actual c. Para que el fenómeno tenga éxito es necesario que hacia 10-43 segundos se inyecte en el universo suficiente energía como para producir su expansión, ya que, en caso contrario colapsaría sobre sí mismo y el universo sería fallido. La incógnita del origen de la energía restante sigue, no obstante, en pie. La teoría más aceptada que existe sobre este origen se denomina el bosón de Higgs. En ella se postula que existe una partícula que depende de la temperatura Cuando la temperatura es muy elevada a medida que la temperatura desciende desde el campo inflatón se realiza a través de los puntos interiores de la burbuja por una dimensión que no podemos apreciar. Esta irrupción de energía se produce en unas dimensiones de burbuja cercanas al radio de Planck y lo hace en forma de partículas ultrarrelativistas de altísima energía. A partir de este momento se inicia la historia térmica del universo. En los primeros instantes solamente existen quarks, ya que la temperatura es tan alta que cualquier otra partícula que quisiera formarse a partir de ellos es inmediatamente disociada. Instantes más tarde, a medida que la temperatura desciende, se generan las primeras partículas actuales, es decir, protones, neutrones, electrones, piones, tauones, muones, neutrinos y fotones. Todos ellos conviven dinámicamente con sus respectivas antipartículas mediante la reacción siguiente : materia + antimateria(a-a=b) Aquí se indica con a, una especie de partícula cualquiera y -a su antipartícula. Ambas se unen para generar un fotón g quien, a su vez se descompone en un nuevo par partícula-antipartícula representado por b, que puede volver a ser la misma de antes o cualquier otra. Todas las partículas de esta sopa primitiva siguen las leyes de la mecánica estadística, que se pueden englobar en la distribución de Maxwell-Boltzmann (1). Cuando se realiza la operación inversa, es decir, se eleva la temperatura, las interacciones se unifican al llegar al máximo en donde solamente existe una interacción, por lo que se denomina la Gran Unificación que posee una pared externa en donde el tiempo ha sufrido una dilatación infinita, llegando éste a detenerse. Esta irrupción de energía se produce en unas dimensiones de burbuja cercanas al radio de Planck y lo hace en forma de partículas ultra relativistas de muy alta energía. A partir de este momento se inicia la historia térmica del universo. La historia puede resumirse así: a medida que la temperatura desciende, se generan las primeras partículas actuales, es decir, protones, neutrones, electrones, piones, tauones, muones, neutrinos y fotones. Todos ellos conviven dinámicamente con sus
respectivas antipartículas .
El problema se presenta en esta bien argumentada teoría cuando dudamos de la existencia del Big Bang y del campo Inflaton. Esta seria una forma de catastrofismo de enormes dimensiones que da lugar a un Universo homogeneo y tremendamente ordenado. Dificil de creer. Pero ¿como se podría formar materia de la energía en un Cosmos mas familiar y a mucha menor temperatura?. Pues simplemente utilizando la formación de materia y antimateria a partir de la energía y de forma asimétrica.
Pasamos entonces a describir los últimos hallazgos en este campo.
- La simetría CP se basa en la composición de la simetría C y la simetría P. La simetría C o simetría de carga afirma que las leyes de la Física serían las mismas si se pudiesen intercambiar las partículas con carga positiva con las de carga negativa. La simetría P o simetría de paridad dice que las leyes de la física permanecerían inalteradas bajo inversiones especulares, es decir, el universo se comportaría igual que su
imagen en un espejo. La simetría CP es el producto de ambas.
Siempre se ha pensado en la violación de CP. En los quarks encanto es extremadamente
pequeña. Entonces, al observar las desintegraciones de partículas que involucran materia y antimateria, el experimento con el detector de antimateria LHCb (CERN) sorprendió recientemente al observar que las cosas podrían ser diferentes. Los teóricos están en el caso. El estudio de la física del quark encanto no estaba en los planes iniciales del experimento LHCb, cuya letra «b» significa «quark belleza». Sin embargo, hace ya un año, la Colaboración decidió analizar un espectro más amplio de procesos que involucran quarks
encanto entre otras cosas. El LHCb permite seleccionar muchos de estos procesos y, entre ellos, uno ha mostrado características interesantes . Otros experimentos en b-factory ya han realizado la misma medición, pero esta es la primera vez que ha sido posible lograr una precisión tan alta, gracias a la enorme cantidad de datos que proporciona la altísima luminosidad del LHC. “Hemos observado los modos de desintegración del D 0 , una partícula formada por un quark encanto más un antiquark”, explica Pierluigi Campana, portavoz del LHCb. “En particular, hemos estudiado y combinado las tasas de desintegración del D 0 y su antipartícula. Según la teoría del Modelo Estándar, deberíamos haber medido un valor muy pequeño de un parámetro conocido como Delta A CP que se calcula utilizando estas tasas de desintegración y está relacionado con las propiedades de la materia y la antimateria. Encontramos que Delta A CP es alrededor de 0.8% en lugar del 1 ‰ predicho (casi 10 veces mas). Aunque es difícil realizar evaluaciones precisas en procesos que involucran quarks encanto, el parámetro Delta A CP parece ser mucho más alto de lo esperado «. Y aunque los teóricos ya han comenzado a investigar el resultado inesperado para verificar posibles explicaciones o encontrar causas completamente nuevas, los científicos del LHCb están poniendo toda su energía en impulsar su análisis aún más. “Hasta ahora hemos analizado solo alrededor del 60% de los datos disponibles de la ejecución de 2011”, dice Pierluigi Campana. «Planeamos completar el análisis, pero también realizar verificaciones independientes utilizando diferentes enfoques y estrategias La
medición mejorada y los controles independientes previstos por la Colaboración contribuirán sin duda a aclarar la situación. Los nuevos resultados deberían estar disponibles pronto.
Por otra parte el descubrimiento del fenómeno de las oscilaciones de neutrinos también representa un hito científico de gran importancia, por el cual Takaaki Kajita y Arthur McDonald recibieron el Premio Nobel de Física en 2015. Al demostrar que los neutrinos oscilan, los experimentos SNO y SuperKamiokande probaron también que los neutrinos tienen masa, en contra de lo sugerido por el Modelo Estándar de la física de partículas. Los neutrinos vienen en tres variedades (sabores), cada una de ellas asociada a un leptón cargado: el electrón, el muón o el tau. Los neutrinos, que son partículas sin carga
eléctrica, pueden interaccionar con otras partículas y “adquirir carga” en el proceso, y entonces se transforman en el correspondiente leptón cargado según cuál sea su sabor. Las oscilaciones consisten en que el sabor del neutrino cambia a medida que éste se desplaza por el espacio, cambiando de esta manera su forma de interaccionar y, sobre todo, la partícula a la que está asociado. El fenómeno de oscilaciones de neutrinos está íntimamente ligado a las masas, porque éstas “conectan” los tres sabores, y permiten que los neutrinos vayan pasando de uno a otro a lo largo de su recorrido. Curiosamente, los experimentos de oscilaciones permiten averiguar muchas propiedades de las masas de los neutrinos, pero la oscilación no conserva información sobre cuánto valen exactamente. A día de hoy sabemos que son muy pequeñas, más de un millón de veces más ligeras que la del electrón, pero no tenemos todavía una medida de su valor. Por tanto, además de un modelo que explique la existencia de las masas de los neutrinos, se requiere algún mecanismo físico para justificar que sean mucho más pequeñas que las del resto de las partículas. En la actualidad, uno de los paradigmas más aceptados postula que la masa de los neutrinos está ligada a partículas pesadas que les confieren algunas de sus propiedades. Estas partículas no habrían sido observadas hasta el momento debido a que para crearlas hacen falta energías muy altas que aún no hemos alcanzado en los experimentos. Sin embargo, la existencia de tales partículas podría manifestarse de forma indirecta, en las propias masas de los neutrinos. En particular, las oscilaciones podrían venir modificadas respecto a lo esperado si las partículas pesadas no estuvieran ahí.
Los investigadores del IFIC en Valencia, Mariam Tórtola y José Valle han estudiado cómo la existencia de neutrinos pesados podría afectar a las oscilaciones de los neutrinos ligeros en un tipo de experimentos en que los neutrinos son producidos en un acelerador de partículas y detectados a distancias de varios cientos de kilómetros. A lo largo de ese recorrido los neutrinos tienen tiempo de oscilar y podemos ver cómo cambia su sabor, y si este cambio se corresponde a la oscilación “normal”, sin partículas pesadas, o si es diferente de ella. Este tipo de oscilaciones ya han sido observadas en experimentos en Japón (T2K) y Estados Unidos (NOνA), y permiten medir algunas propiedades fundamentales de los neutrinos, como la diferencia entre sus masas y en qué medida éstas mezclan los tres sabores.
Estas propiedades han sido ya medidas con bastante precisión en diferentes tipos de experimentos de oscilación: con neutrinos provenientes de aceleradores, de reactores nucleares, solares o atmosféricos.
Sin embargo, hay un parámetro que todavía no hemos podido determinar bien: se trata de la posibilidad de que los neutrinos oscilen de manera diferente a su propia antimateria, los antineutrinos. Aunque materia y antimateria se comportan de manera similar en casi todos los fenómenos, sabemos que hay algunos procesos físicos en los que presentan diferencias. La prueba más palmaria de ello es que vivimos en un universo compuesto sobre todo por materia, en el que la antimateria prácticamente ha desaparecido.
Los fenómenos en los que la materia y la antimateria se comportan de manera diferente son interesantes porque nos abren una ventana para entender esta peculiaridad de nuestro universo, y quizá las oscilaciones de neutrinos constituyan una de esas ventanas. Las diferencias entre las oscilaciones de neutrinos y antineutrinos vienen controladas por el parámetro δCP, cuyo valor todavía no conocemos. En su análisis, nuestros compañeros han estudiado cómo las medidas de precisión de δCP previstas en los futuros experimentos diseñados a tal efecto, como puede ser DUNE en Estados Unidos, pueden verse afectadas por la existencia de neutrinos pesados.
El proyecto LBNF/DUNE es una ambiciosa colaboración científica internacional que prevé enviar el haz de neutrinos más intenso del mundo, producido en las instalaciones de Fermilab en Chicago, hasta DUNE, un enorme detector de argón líquido situado en una cámara subterránea a más de un kilómetro de profundidad en el Sanford Underground Research Facility (SURF), ubicado en Dakota del Sur, a 1.300 kilómetros de Fermilab. En el experimento DUNE participan 800 científicos de 27 países y 150 instituciones, entre ellas el IFIC.
BIBLIOGRAFIA
Landau, Lev Davidovich; and Lifshitz, Evgeny Mikhailovich (1980) [1976]. Statistical Physics. Course of Theoretical Physics 5 (3 edición). Oxford: Pergamon Press. ISBN 0-7506-3372-7.
Https://Web,archive org/Schwarzschild.radius.html
Pierluigi Campana: Detector and data processing technologies for the LHCb experiment: tutorial 47. IEEE
Instrum. Meas. Mag. 17(1): 20-26 (2014). [+][–]
Takaaki Tajita . Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 6 de octubre de 2015.
«New Ambiguity in Probing CP Violation in Neutrino Oscillations», O. G. Miranda, M. Tórtola, J. W. F.
Valle. Phys. Rev. Lett. 117, 061804
