¿Por qué hay materia en el universo?

Puede parecer una pregunta tonta, pero uno de los mayores retos con los que se enfrenta el modelo de la Gran Explosión es responder a esta pregunta.

 

Todo tiene que ver con la antimateria y para entenderlo debemos retroceder en el tiempo casi un siglo, a octubre de 1927, y acercarnos al Instituto de Fisiología de Bruselas, donde se celebraba el quinto Congreso Solvay con el título ‘Electrones y Fotones’. Iba a ser el más importante de la historia de la física: 17 de los 29 asistentes (se acudía exclusivamente por invitación) eran o iban a ser premios Nobel. El título no reflejaba la verdadera intención de esta reunión, que era dirimir el camino al que llevaba la teoría cuántica. Fue allí donde Einstein dijo su famosa frase “Dios no juega a los dados” y el físico danés y padre de la teoría cuántica Niels Bohr le replicó: “Deja de decirle a Dios lo que tiene que hacer”.

A esta mítica reunión acudió Paul Adrien Maurice Dirac, un joven físico inglés extremadamente callado y taciturno (sus amigos acuñaron el dirac como la unidad mínima de palabras que se pueden decir en una conversación), que trabajaba en solitario todos los días de la semana excepto el domingo, que salía a pasear... solo. Estaba obsesionado con poder unificar las dos grandes teorías de la física de principios del siglo XX: la teoría cuántica y la relatividad especial de Einstein. Durante dos años lo había intentado y fracasado, pero tras el congreso de Bruselas decidió que éste sería el objetivo de su vida en los próximos años. Y lo consiguió gracias a un uso creativo de las matemáticas, obteniendo la primera ecuación que unificaba ambas teorías. De ella nacieron dos cosas que se han revelado fundamentales: la primera fue deducía de manera natural el espín, un concepto esquivo introducido por el físico alemán Wolfgang Pauli –un genio que a la tierna edad de 18 años era un experto en relatividad– para explicar ciertos resultados experimentales. Incluso en la actualidad la interpretación de lo que es el espín sigue siendo oscura, pero sabemos que en presencia de un campo magnético puede alinearse en dos direcciones: arriba y abajo. Una extraña propiedad que en el electrón permite, por ejemplo, que en los hospitales tengamos resonancias magnéticas.

La otra sorpresa oculta entre los pliegues de esa ecuación era que las dos direcciones en que podía orientarse el espín del electrón solo eran la mitad de las soluciones, pues había otras dos que se correspondían con unos misteriosos estados del electrón de energía negativa. Esto significaba que el electrón podía saltar de su estado normal de energía positiva y carga eléctrica negativa a otro de energía negativa y carga eléctrica positiva. ¿Qué demonios era eso? Nadie lo sabía, y hubo quien empezó a pensar que la ecuación de Dirac no era tan buena como se pensaba. Después de cuatro años devanándose la cabeza Dirac afirmó que esas misteriosas soluciones correspondían a un nuevo tipo de partícula que tenía la misma masa que el electrón pero con carga positiva. Y al año siguiente, en 1932, un joven profesor norteamericano de 27 años, Carl David Anderson, encontraba esa misteriosa partícula en sus experimentos con los rayos cósmicos: acabábamos de descubrir la antimateria.

Para entenderla debemos tener en cuenta que los físicos distinguen una partícula de otra del mismo modo que nosotros distinguimos una fruta de otra, por sus propiedades: tamaño, color, olor y sabor. En el caso de las partículas subatómicas tenemos que referirnos a características como la masa, la carga, el momento angular y el momento magnético. Las dos primeras son fáciles de entender, pero no así las dos segundas. Podemos asimilar momento angular a rotación y momento magnético a que las partículas, supuestas esféricas, se comportan como la Tierra, con un polo norte y un polo sur magnéticos. Entonces, ¿qué sería un antielectrón? Primero, tiene invertida la carga, es positiva en lugar de negativa. Y lo mismo que ocurre cuando vemos girar un balón en el espejo, también su rotación, el momento angular, está invertido. A esto se le llama inversión de la paridad. Este cambio en la paridad obligaría al antielectrón a tener intercambiados sus polos norte y sur magnéticos respecto al electrón, pero como la carga también está invertida el momento magnético no cambia. Lo mismo ocurre con el protón y su correspondiente antiprotón, pero no con el neutrón. El neutrón no tiene carga, por tanto la única inversión posible es la de paridad, lo que obliga a que su momento magnético (sus polos magnéticos) está cambiados respecto al neutrón, y ésta es la única forma que tienen los físicos de distinguirlos. De este modo tenemos las tres antipartículas necesarias para construir la antimateria. En nuestro caso, un antiprotón y un positrón formarían el átomo de antihidrógeno.

La característica más importante de la antimateria es que si se encuentra con una partícula de materia, se aniquilan. Toda su masa se convierte en energía, cuya cantidad viene dada por la fórmula más famosa de la historia E = mc2. Y al revés: si tenemos energía suficiente podemos crear un electrón y un positrón, o un protón y un antiprotón. Y esto es lo que observamos siempre: es una creación de pares, una partícula y su correspondiente antipartícula.

 

Aquí es donde entra a jugar la cosmología. Con la explosión que marcó el comienzo del universo se tuvo que crear tanta materia como antimateria. Y esto es un problema, porque si este 50-50 hubiera sido exacto toda la materia se habría aniquilado completamente con su correspondiente en antimateria. Pero estamos aquí, ¿no? Algo debe fallar en nuestra bonita teoría…

Ante semejante problema sólo caben dos soluciones: primera, que nuestro universo está dividido en dos, una con estrellas y planetas y la otra con antiestrellas y antiplanetas. Esta opción tiene un grave inconveniente: la frontera entre ambos universos sería una continua explosión de energía visible para nuestros telescopios espaciales de rayos gamma, algo que no se observa. La única opción posible es que ese 50-50 no fue exacto sino que hubo un pequeñísimo exceso de materia, alrededor de mil millones de antipartículas frente a mil millones y una de materia. De dónde vino ese exceso es algo que preocupa a los físicos desde hace más de medio siglo.

En 1967 el soviético Andréi Sájarov –el famoso disidente y padre de la bomba H rusa- demostró que la única forma de eludir este problema era que no se cumpliera la llamada simetría CP. Ésta asegura que si a una partícula intercambiamos simultáneamente su carga (positiva por negativa) y su paridad (derecha por izquierda) se sigue comportando de la misma manera. Solo si esto no sucedía, razonaba Sajarov, podremos justificar que haya más materia que antimateria en el Universo. Por entonces era impensable que Sájarov estuviera en lo cierto pues todos los físicos estaban convencidos de que, como dicen ellos, el universo es invariante bajo CP. Pero a mediados de los 1970 se demostró que la simetría CP no se cumplía a rajatabla: la teoría electrodébil (que unifica bajo una única formulación el electromagnetismo y la fuerza débil, la responsable de un tipo de desintegración radiactiva) no la cumplía. Por desgracia si las cosas fueran como dice esa teoría en el universo solo habría materia suficiente para hacer una galaxia.

Pero en enero de 2019 el experimento LHCb realizado en el CERN en Ginebra ha observado un proceso increíblemente raro y jamás observado en un acelerador: la formación y desintegración de la partícula Λb0 y su correspondiente antipartícula. Según el modelo estándar esta pareja debería comportarse exactamente igual, pero los datos obtenidos apuntan a que son diferentes hasta en un 20%. La esperanza de los físicos es que esta pequeña discrepancia en su comportamiento permita explicar porqué el universo está plagado de estrellas.

Miguel Ángel Sabadell

Miguel Ángel Sabadell

Me licencié en astrofísica pero ahora me dedico a contar cuentos. Eso sí, he sustituido los dragones y caballeros por microorganismos, estrellas y científicos de bata blanca.

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