El LHC y la desconcertante antimateria

Evento de colisión de 7 TeV visto por el detector LHCb. El experimento del LHCb en el LHC estará bien ubicado para explorar el misterio de la antimateria. Crédito: LHC, CERN.

Durante muchos años, la ausencia de antimateria en el Universo ha atormentado a los físicos de partículas y a los cosmólogos: mientras que el Big Bang debería haber creado cantidades iguales de materia y antimateria, no observamos ninguna antimateria primordial hoy en día. ¿Dónde ha ido? Los experimentos del LHC tienen el potencial de dar a conocer los procesos naturales que podrían ser la clave para resolver esta paradoja.

Cada vez que la materia es creada a partir de energía pura, se genera la misma cantidad de partículas y antipartículas. Por el contrario, cuando la materia y la antimateria se encuentran, se aniquilan mutuamente y producen luz. La antimateria se produce habitualmente cuando los rayos cósmicos chocan contra la atmósfera de la Tierra, y la aniquilación de materia y antimateria se observa durante los experimentos de física en los aceleradores de partículas.

Si el universo tuviera zonas de antimateria, seríamos capaces de observar los flujos intensos de fotones en los límites de las regiones materia / antimateria. "Los experimentos, midiendo el fondo difuso de rayos gamma en el Universo, serían capaces de observar estas emisiones de luz", confirma Antonio Riotto, del Grupo de Teoría del CERN. "En ausencia de tales pruebas, podemos concluir que los dominios de la materia son al menos del tamaño de todo el Universo visible", añade.

¿Qué causó la desaparición de la antimateria en favor de la materia? "En 1967, el físico ruso Andrei Sajarov señaló que las fuerzas, discriminando entre materia y antimateria, llamadas efectos "violación CP" (violación de la simetría CP), podrían haber modificado la simetría materia-antimateria inicial, cuando ocurrieron las desviaciones del equilibrio térmico del Universo", dice Antonio Riotto. En el Universo frío de hoy, sólo podemos observar muy raros efectos de violación CP en que la naturaleza prefiere la creación de la materia sobre la antimateria. Tras su descubrimiento en las desintegraciones de mesones K conteniendo quarks extraños, ellos ahora también lo han observado en las desintegraciones de mesones B, que contienen los quarks abajo.

Hoy en día, los científicos piensan que el Universo primitivo podría haber pasado por una fase de transición en la que se rompió el equilibrio termodinámico, cuando la densidad del Universo era muy alta y la temperatura promedio era de mil millones o más veces la del interior del sol. "Algunos físicos creen que esto podría haber sucedido a través de la formación de "burbujas" que se han ampliado progresivamente, "imponiendo" así su nuevo equilibrio en todo el universo pre-existente", explica Antonio Riotto. Cualquiera que sea la dinámica real de esta fase, lo importante es que una partícula de materia en 10 mil millones sobrevivió, mientras que todas las demás fueron aniquiladas con las correspondientes antipartículas.

¿Cómo puede el LHC ayudar a resolver el misterio? Mediante el estudio de desintegraciones raras, los experimentos nos pueden traer información más precisa sobre fenómenos relacionados con la violación CP, que implica partículas tanto conocidas como nuevas, como los mesones que contienen quarks fondo y extraño. Por otra parte, si se descubren nuevas partículas supersimétricas en el LHC, algunos de los posibles escenarios que conducen a una fase de no equilibrio encontrará soporte experimental. "Si el LHC encuentra un bosón de Higgs con una masa inferior a 130 GeV, y si este descubrimiento se produce con la detección de una partícula de luz supersimétrica denominada "stop", esto podría ser la prueba experimental de que la fase de no equilibrio sucede a través de la formación de burbujas ", concluye Antonio Riotto.

En cualquier caso, desde que la desaparición de la antimateria primordial no puede ser explicada por la actual teoría del Modelo Estándar, es evidente que tenemos que buscar algo nuevo. Los científicos están estudiando formas diferentes, pero, dado el hecho de que lo que observamos sólo representa alrededor del 4% del total de energía y materia de que el Universo está hecho, se puede adivinar que parte de la clave para resolver el misterio de la antimateria podría estar en las partes todavía desconocidas del Universo. Con su potencial de descubrimiento muy alto, el LHC sin duda ayudará a arrojar luz sobre toda la cuestión.

El LHC no es el único en la búsqueda de la solución al misterio de la antimateria. BaBar en SLAC en los EE.UU. y BELLE en KEK, en Japón, han medido desintegraciones de mesones B en detalle, y los experimentos CDF y D0 en el Tevatron también están explorando los efectos de la violación CP. A finales de este año, el experimento AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) se acoplará a la Estación Espacial Internacional (ISS) y comenzará a buscar evidencias de partículas de antimateria resultantes de la descomposición de la materia oscura.

Traducido de:
Puzzling antimatter, por Francesco Poppi para el Boletín del CERN