¿Por qué la materia (y no la antimateria) domina el universo?

En los primeros instantes del universo había tanta materia como antimateria, y ambas deberían haberse aniquilado dejando tras de sí un universo de radiación y nada más. Y sin embargo eso no es lo que observamos, pues nuestro universo está dominado por la materia, sin presencia alguna de antimateria.

En los primeros instantes de vida del universo se crearon, al menos según nuestras teorías más complejas y profundas, iguales cantidades de materia y antimateria. Aquella sopa primordial increíblemente caliente, pequeña y densa contenía todo tipo de partículas pero éstas estaban perfectamente equilibradas las unas con las otras. Si había por un lado muchas partículas con carga positiva, habría otras tantas con carga negativa. Si había muchas partículas con alguna de las otras cargas de las diferentes interacciones fundamentales, como carga de color, número bariónico o número leptónico por ejemplo, habría otras tantas con la carga opuesta. A este inicial equilibrio debería haber seguido una mutua aniquilación, en la que materia y antimateria interactuaran para producir, en última instancia, fotones, luz. Dada aquella composición inicial y nuestro actual entendimiento de las leyes más fundamentales del universo, todo debería haberse reducido a luz.

Pero este universo caliente, pequeño y denso se expandió, se enfrió y se diluyó, dando lugar tras miles de millones de años de evolución al universo que observamos hoy. Y sin embargo, la materia que observamos a día de hoy parece estar compuesta únicamente por partículas, sin presencia alguna de las correspondientes antipartículas. Todas las estrellas, nebulosas y galaxias que observamos parecen estar compuestas de la misma materia que compone todo lo que nos rodea aquí en la Tierra. Por tanto algo debió ocurrir para que aquél equilibrio entre materia y antimateria se rompiera, para que la materia ganara aquella fase de aniquilación. Cómo ocurrió esto es una de las grandes preguntas de la física de partículas moderna y a este problema se le ha dado el nombre del problema de la asimetría materia-antimateria.

La antimateria es uno de esos conceptos en física moderna que tienen cierta aura de misticismo. Esto es en parte por las licencias del cine a la hora de utilizarla en sus guiones. La antimateria es en verdad equivalente a la materia “normal y corriente”, de la que está hecho tu cuerpo por ejemplo. Si con un chasquido de dedos pudiéramos cambiar todas las partículas que componen nuestro universo por su correspondiente antipartícula no notaríamos absolutamente nada. La antimateria es tan capaz de formar átomos, moléculas, células y cualquier otra estructura como la materia. La diferencia principal entre ambos tipos de partículas es que tienen algunas cargas fundamentales opuestas. Un electrón por ejemplo es una partícula con una cierta masa, un espín, una carga eléctrica y un número leptónico concretos. El positrón, su antipartícula, tendrá la misma masa y el mismo espín, pero carga eléctrica y número leptónico opuestos.

El comportamiento exótico de la antimateria surge cuando interacciona con la materia. Si un positrón y un electrón se encuentran e interaccionan, suponiendo que tienen energía suficiente, tenderán a crear otras partículas. Pero en esta reacción deberán conservarse las cargas fundamentales, las de positrón y electrón pero también las de cualquier otra partícula que se pueda crear. Es por esto que, como el par tiene carga eléctrica total cero (porque las de electrón y positrón son opuestas y por tanto se cancelan) y como tiene número leptónico igual a cero (por el mismo motivo), el resultado de su interacción deberá también tener carga eléctrica y número leptónico igual a cero. Por tanto cuando interaccionen crearán partículas que tengan estas u otras propiedades opuestas (es decir, crearán un par partícula-antipartícula) o directamente crearán partículas que no tengan estas propiedades, como dos fotones, que no tienen carga eléctrica ni número leptónico, bariónico o de ningún tipo.

A la larga, si tenemos suficientes pares de partícula-antipartícula, da igual del tipo que sean, acabarán dando lugar a pares de fotones dejando tras de sí radiación, luz, donde antes había materia. Esto debería haber ocurrido en los inicios del universo, según nuestras teorías. En la actualidad hay algunas propuestas que pretenden explicar esta asimetría entre materia y antimateria, aunque ninguna de ellas consigue hacerlo completamente. La propuesta más prometedora tiene que ver con la violación de dos de las simetrías más fundamentales del universo y se conoce como “violación de la simetría CP”. Esta simetría CP nos dice que las propiedades de una partícula no deberían cambiar si la cambiamos por su antipartícula y a la vez invertimos sus coordenadas espaciales (como si de un espejo se tratara). Esta simetría no es perfecta y sabemos de mecanismos que la rompen de manera natural, aunque éstos no serían capaces de explicar lo que ocurrió en aquellos primeros instantes del universo. Es decir, la asimetría es mayor de lo que estos mecanismos predicen.

El problema que tenemos para investigar estos asuntos es que requieren de energías mucho mayores a las que somos capaces de alcanzar en nuestro aceleradores de partículas, a veces miles o incluso millones de veces más grandes. Es por esto que un equipo de investigadores ha propuesto utilizar las increíbles energías del universo temprano para estudiar estos mismos procesos. Por supuesto no tenemos acceso directo a esta época de la historia del universo, pero sí podemos estudiar cómo aquellas interacciones fundamentales han dejado huella en la estructura a gran escala del universo, estudiando la distribución de galaxias y cúmulos de galaxias en las escalas más grandes y estudiando el fondo cósmico de microondas.

Referencia:

Yanou Cui, Zhong-Zhi Xianyu. Probing Leptogenesis with the Cosmological Collider. Physical Review Letters, 2022; 129 (11) DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.111301

José Luis Oltra de perfil

José Luis Oltra (Cuarentaydos)

Soy físico de formación y viajero de vocación. Divulgo ciencia allí donde me lo permiten, aunque principalmente en youtube y tiktok bajo el nombre de Cuarentaydos. Por aquí me verás hablando de la física del universo, desde las galaxias y estrellas más grandes hasta las partículas subatómicas que las componen.

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