El universo, como lo conocemos, está compuesto de energía y de materia, que es todo aquello formado por protones, neutrones y electrones. Sin embargo, la materia a nuestro alrededor no debería de estar ahí, o por lo menos no sin la misma cantidad de sustancias poco comunes que parecen haber desaparecido. Para poder entender por qué las cosas son como son, es necesario entender por qué en los instantes después del comienzo del Universo (o Big Bang) surgió un desequilibrio entre la cantidad de materia y antimateria.
La antimateria no es únicamente un tema literario de ciencia ficción que se usa como combustible en naves espaciales o como arma que amenaza con desaparecer el Vaticano, sino una realidad tangible que podemos encontrar en procesos radiactivos, y en algunos laboratorios que colisionan átomos a gran velocidad. Así como toda la materia está compuesta de partículas (por ejemplo electrones), la antimateria consiste de “anti-partículas” (correspondientemente antielectrones) que son idénticos a sus contrapartes de materia, excepto por tener una carga eléctrica opuesta.
Representación de un átomo de hidrógeno (arriba) junto a un anti-átomo de anti-hidrógeno (abajo). Todas sus propiedades son idénticas, excepto por la carga eléctrica en sus constituyentes. El átomo tiene un núcleo compuesto de un protón con carga positiva, a su alrededor se encuentra un electrón con una carga negativa. El anti-átomo tiene en su núcleo un anti-protón con carga negativa, y orbitándolo hay un anti-electrón (también llamado positrón) de carga positiva. Créditos: Cameron Baker
¿Qué pasa cuando dos partículas colisionan?
Cuando una partícula entra en contacto con su antipartícula, ambas desaparecen, convirtiendo su energía en rayos gamma, en un proceso llamado “aniquilación”. De la misma manera, cuando una gran cantidad de energía se concentra en un espacio muy pequeño (como sucede en los colisionadores de partículas), es posible crear nuevas partículas, pero éstas siempre vienen acompañadas de sus antipartículas.
Los primeros instantes del universo fueron momentos caóticos durante los cuales pares de partículas-antipartículas debieron formarse y aniquilarse constantemente. Conforme el espacio se fue expandiendo, el ritmo de estos procesos se tranquilizó, permitiendo que cierta cantidad de partículas y antipartículas llenaran el vacío sin reencontrarse y aniquilarse. Sin embargo, mientras los modelos más precisos que hemos desarrollado para describir los componentes e interacciones fundamentales de la naturaleza predicen que por cada partícula de materia debió formarse la misma cantidad de antimateria, todas las observaciones hechas hasta el día de hoy parecen contradecir esta predicción.
En búsqueda del equilibrio natural
Cuando miramos al cielo nocturno, encontramos una gran cantidad de estrellas y galaxias, todas compuestas de materia, pero jamás hemos encontrado más que una minúscula cantidad de antielectrones y antiprotones, probablemente provenientes de procesos radiactivos. Esto implica que en algún momento tuvo que existir un desequilibrio en los procesos de creación y aniquilación, pero no hemos podido encontrar su origen.
Un misterio, cuatro corrientes científicas de investigación
La ausencia de antimateria es un gran misterio que resalta los límites de nuestro entendimiento del Cosmos y que ha inspirado grandes esfuerzos por parte de investigadores a lo largo y ancho del planeta. Desde que comenzó la búsqueda por las respuestas, surgieron cuatro diferentes planteamientos que buscan resolver este misterio. Un gran número de científicos busca recrear, a una escala microscópica, las condiciones y los eventos que se dieron fracciones de segundos después del inicio del Universo. Otro grupo de científicos busca indicios de este desequilibrio fundamental en las propiedades físicas de partículas como electrones y neutrones. Una tercer corriente de científicos desarrolla nuevas teorías que puedan describir matemáticamente los procesos que dan preferencia a la materia sobre su antítesis. Finalmente hay un cuarto grupo que interpreta las mediciones en laboratorios para determinar que teorías son inconsistentes con la realidad.
Puede que la respuesta a esta incógnita esté más cerca de lo que pensamos, pero mientras nos siga eludiendo, seguirá siendo uno de los más grandes misterios que la ciencia ha conocido.
Referencias y lecturas relacionadas:
- Focus on the Origin of Matter, New Journal of Physics, Editors Pasquale Di Bari, Antonio Masiero and Rabindra Mohapatra Published September 2012–March 2013
- Antimateria en CERN (https://home.cern/science/physics/antimatter)
- LHCb Collaboration “Observation of CP Violation in Charm Decays”, Phys. Rev. Lett. 122, 211803 (2019) [version gratuita]
- ACME Collaboration, “Improved limit on the electric dipole moment of the electron” Nature, 562, 355-360 (2018) [version gratuita]
- Bernreuther W. (2002) CP Violation and Baryogenesis. In: Beyer M. (eds) CP Violation in Particle, Nuclear and Astrophysics. Lecture Notes in Physics, vol 591. Springer, Berlin, Heidelberg [version gratuita]
- C. Cesarotti, Q. Lu, Y. Nakai, A. Parikh y M. Reece “Interpreting the electron EDM constraint” J. High Energy Phys. (2019)
