Fenómenos que desafían las explicaciones

Scientific American publica en estos días un artículo sobre temas científicos que todavía no están totalmente resueltos. Bajo el título "Orígenes misteriosos: ocho fenómenos que desafían las explicaciones" encontramos tres relacionados con astronomía y física: Materia versus antimateria, Rayos Cósmicos de ultra alta energía y El spin del protón.
Esta es una traducción libre de esos tres textos:

Materia versus antimateria

Encontramos belleza en la simetría, pero sin una pieza clave de la asimetría, no estaríamos en este mundo para poder apreciar esa característica en las cosas que la presentan. En el ámbito de las colisiones de partículas y de los procesos cuánticos, la antimateria se produce tan a menudo como la materia ordinaria. De hecho, el Big Bang debería haber producido la misma cantidad de ambos, lo cual no hubiera sido una buena cosa para nosotros, porque por cada pieza de antimateria se destruye una cantidad igual de materia. El big bang por lo tanto debería haber creado un universo formado únicamente por luz y energía, libre de sólidos, líquidos o gases.

Es posible que el Big Bang, efectivamente, fabricara antimateria suficiente para crear anti-soles, anti-planetas, anti-galaxias y similares, y que existen en alguna parte en los bolsillos separados del universo. Pero décadas de observaciones del espacio profundo parece que hacen esa posibilidad poco probable.

Por lo tanto, algún tipo de asimetría se produjo desviando la evolución del universo hacia la materia. No le habría tomado mucho, sólo una partícula de materia extra por cada mil millones de pares de antipartícula. Los investigadores han descubierto una asimetría entre el comportamiento de la materia y la antimateria, llamado violación de la paridad de la carga, que podría haber producido ese desbalance hacia las cosas del mundo material.

Pero para que este sesgo sutil se convirtiera en un exceso de materia, el universo primordial habría tenido que pasar por un período desgarrador de desequilibrio de las condiciones imperantes, y hasta ahora nadie sabe cómo podría haber sucedido.

Rayos Cósmicos de ultras alta energía

Normalmente pensamos que las partículas subatómicas son pequeñas e inocuas. Sin embargo, el 15 de octubre de 1991, los astrónomos vieron una partícula golpear la atmósfera de la Tierra con la energía de una bola de bowling cayendo sobre nuestro pie. Varias docenas de partículas similares han llegado a nosotros desde entonces, con suficiente energía para hacer que el Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más poderoso del mundo parezca una pistola de juguete. Ni siquiera la explosión de una supernova es suficiente para explicar esto y, de todos modos, las partículas de gran potencia deberían perder su energía en su tránsito por el espacio interestelar.

Este problema ha llevado a los físicos ha especular sobre las formas exóticas de la materia y sobre el fracaso de las leyes conocidas de la física. Sin embargo, dos años atrás, el Observatorio de Rayos Cósmicos Pierre Auger, en el oeste de Argentina, consideró que las partículas parecen proceder de las galaxias cercanas. Gigantescos agujeros negros o super-supernovas en estas galaxias podrían provocar ondas de choque que les otorgan un enorme impulso inicial a las partículas, y están lo suficientemente cerca para que las mismas conserven la mayor parte de su energía. Los detalles, sin embargo, siguen siendo vagos.

El spin del protón

Los protones tienen una propiedad conocida como spin, una contraparte en la física cuántica de nuestro más familiar fenómeno clásico y cotidiano de rotación de todos los días. Pero a diferencia de la rotación por ejemplo de un trompo, el spin de los protones gobierna la interacción magnética entre elos y las otros partículas, una propiedad que permite obtener las conocidas imágenes de resonancia magnética (MRI).

La magnitud del spin de un protón es siempre la misma y se fija convencionalmente en 1/2. Para tener en cuenta que, uno debe pensar que el giro depende exclusivamente del estado de los tres quarks que forman el protón: dos quarks up (1/2 por cada giro) y un quark down (-1/2, ya que su giro apunta en la dirección opuesta). Sumando los giros de los tres quarks el spin del protón resulta ser el valor ya mencionado de 1/2. Del mismo modo, el spin de los neutrones (constituidos por un quark arriba y dos quarks abajo) se podría calcularse de manera similar.

Pero los experimentos con aceleradores de partículas han refutado esa imagen relativamente simple. En la década de 1980 los físicos rebotó energética los electrones y otras partículas por protones, la medición de su desviación indica los giros dentro de cada protón. Los experimentos mostraron que los giros de los quarks representan en total menos del 30 por ciento del espín del protón. Para resolver esta "crisis del giro ", los físicos empezaron a examinar otros factores que pueden contribuir con la magnitud del spin, tales como los gluones que mantienen unidos a los quarks, el movimiento orbital de los quarks dentro del protón y la aparición momentánea de la quarks virtuales. Muchas de las funciones son cada vez más claras gracias a años de experimentos y cálculos, pero los físicos todavía no explican completamente el spin del protón.

Artículo original:
Mysterious Origins: 8 Phenomena That Defy Explanation. Por Philip Yam

Créditos
-Imagen de "Materia versus antimateria"
por NASA/GODDARD Space Flight Center Scientific VIisualization Studio
-Imagen de "Rayos Cósmicos de ultras alta energía"
por Simon Swordy (U. Chicago), NASA
-Imagen de "El spin del protón"
por Ryan Reid