Una nueva y extraña partícula de Higgs podría haber robado la antimateria de nuestro universo

El por qué nuestro universo está lleno de más materia que su extraña contraparte, la antimateria, es uno de los rompecabezas más desconcertantes de la física moderna.

Por qué nuestro universo está lleno de más materia que su extraña contraparte, la antimateria, y por qué existimos, es uno de los rompecabezas más desconcertantes de la física moderna.

De alguna manera, cuando el universo era increíblemente joven, casi toda la antimateria desapareció, dejando sólo lo normal. Los teóricos han acechado durante mucho tiempo la explicación cada vez más esquiva y, lo que es más importante, una forma de probar esa explicación con experimentos.

Ahora, un trío de teóricos ha propuesto que un trío de partículas llamado bosones de Higgs podría ser responsable del misterioso acto de desaparición de la antimateria en el universo. Y creen que saben cómo encontrar a los sospechosos.

El caso de la antimateria perdida

En casi todas las interacciones entre partículas subatómicas, la antimateria (que es idéntica a la materia normal pero con carga opuesta) y la materia normal se producen en igual medida. Parece ser una simetría fundamental del universo. Y sin embargo, cuando salimos y miramos ese mismo universo, apenas vemos antimateria. Por lo que los físicos pueden decir, por cada partícula de antimateria que todavía anda por ahí, hay cerca de mil millones de partículas de materia normal, en todo el cosmos.

Este misterio tiene muchos nombres, como el problema de la asimetría de la materia y el problema de la asimetría bariónica; independientemente del nombre, los físicos se han quedado perplejos. Hasta ahora, nadie ha sido capaz de dar una explicación coherente y consistente del dominio de la materia sobre la antimateria, y como es tarea de los físicos explicar cómo funciona la naturaleza, está empezando a ser irritante.

Sin embargo, la naturaleza dejó algunas pistas por ahí para que las pudiéramos descifrar. Por ejemplo, no hay evidencia de que haya mucha antimateria en el llamado fondo cósmico de microondas – el calor que sobró del Big Bang, el nacimiento del universo. Eso sugiere que la alcaparra ocurrió en el universo primitivo. Y el universo primitivo era un lugar bastante loco, con todo tipo de física complicada y mal entendida. Así que si la materia y la antimateria se van a dividir, es un buen momento para hacerlo.

Culpar al Higgs

De hecho, el mejor momento para que la antimateria desaparezca es durante la breve pero tumultuosa época de nuestro universo, cuando las fuerzas de la naturaleza se estaban separando a medida que el cosmos se enfriaba.

A altas energías (como las de un colisionador de partículas), la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil combinan sus poderes para formar una nueva fuerza: la electrodébil. Sin embargo, una vez que las cosas se enfrían y vuelven a las energías cotidianas normales, la electrodébil se divide en las dos fuerzas familiares.

En energías aún más elevadas, como las que se encuentran en los primeros momentos del Big Bang, pensamos que la fuerza nuclear fuerte se fusiona con la fuerza electrodébil, y en energías aún más elevadas, la gravedad se une al partido en una sola fuerza unificada. Pero aún no hemos averiguado cómo entra la gravedad en el juego.

El bosón de Higgs, propuesto para existir en la década de 1960 pero no descubierto hasta 2012 dentro del Gran Colisionador de Hadrones, hace el trabajo de separar la fuerza electromagnética de la fuerza nuclear débil. Los físicos están bastante seguros de que la división materia-antimateria ocurrió antes de que las cuatro fuerzas de la naturaleza cayeran en su lugar como sus propias entidades; eso es porque tenemos una comprensión bastante clara de la física del universo después de la división, y añadir demasiada antimateria en épocas posteriores viola las observaciones del fondo cósmico de microondas).

Como tal, tal vez el bosón de Higgs juega un papel.

Pero el Higgs por sí solo no puede cortarlo; no se conoce ningún mecanismo que utilice sólo el Higgs para causar un desequilibrio entre la materia y la antimateria.

Afortunadamente, la historia del Higgs puede que no haya terminado. Los físicos han encontrado un solo bosón de Higgs en experimentos con colisionadores, con una masa de alrededor de 125 mil millones de electronvoltios voltios, o GeV – para referencia, un protón pesa alrededor de 1 GeV.

Resulta que el Higgs puede que no esté solo.

Es completamente posible que haya más bosones de Higgs flotando alrededor que sean más masivos de lo que podemos detectar actualmente en nuestros experimentos. Hoy en día, esos Higgs más fuertes, si existieran, no harían mucho, no participando realmente en ninguna física a la que podamos acceder con nuestros colisionadores – simplemente no tenemos suficiente energía para «activarlos». Pero en los primeros días del universo, cuando las energías eran mucho, mucho más altas, el otro Higgs podría haber sido activado, y esos Higgs podrían haber causado un desequilibrio en ciertas interacciones fundamentales de partículas, llevando a la asimetría moderna entre materia y antimateria.

Resolviendo el misterio

En un artículo reciente publicado en línea en la revista de preimpresión arXiv, tres físicos propusieron una solución potencial interesante: Tal vez, tres bosones de Higgs (apodados la «Troika de Higgs») jugaron un juego de patatas calientes en el universo temprano, generando una avalancha de materia normal. Cuando la materia toca la antimateria – Poof – los dos se aniquilan y desaparecen.

Y así la mayor parte de esa corriente de materia aniquilaría a la antimateria, inundándola casi por completo en un torrente de radiación. En este escenario, quedaría suficiente materia normal para conducir al universo actual que conocemos y amamos.

Para hacer este trabajo, los teóricos proponen que el trío incluya la conocida partícula de Higgs y dos novatos, cada uno de los cuales tiene una masa de alrededor de 1.000 GeV. Este número es puramente arbitrario, pero fue elegido específicamente para hacer que este hipotético Higgs sea potencialmente descubrible con la próxima generación de colisionadores de partículas. Es inútil predecir la existencia de una partícula que nunca podrá ser detectada.

Los físicos tienen entonces un desafío. Cualquiera que sea el mecanismo que cause la asimetría tiene que dar a la materia una ventaja sobre la antimateria por un factor de mil millones a uno. Y, tiene una ventana de tiempo muy corta en el universo primitivo para hacer lo suyo; una vez que las fuerzas se dividen, el juego se termina y la física tal como la conocemos está bloqueada en su lugar. Y este mecanismo, incluyendo los dos nuevos Higgs, debe ser comprobable.

La respuesta corta: Ellos fueron capaces de hacerlo. Es comprensiblemente un proceso muy complicado, pero la historia general (y teórica) es así: Los dos nuevos Higgs se descomponen en duchas de partículas a ritmos ligeramente diferentes y con preferencias ligeramente diferentes por la materia sobre la antimateria. Estas diferencias se acumulan con el tiempo, y cuando la fuerza electrodébil se divide, hay suficiente diferencia en las poblaciones de partículas de materia-antimateria «incorporadas» al universo como para que la materia normal acabe dominando sobre la antimateria.

Claro, esto resuelve el problema de la asimetría bariónica, pero lleva inmediatamente a la pregunta de qué está haciendo la naturaleza con tantos bosones de Higgs. Pero haremos las cosas paso a paso.

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Publicado originalmente en Misterius.net.

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