El CERN detecta la partícula clave de nuestro universo

Día y noche, positivo y negativo, ciencia y fe… El universo está plagado de dualidades que no solo e enfrentan como opuestos, también se complementan. Y esto ocurre desde el mismísimo inicio del universo. Cuando se produjo el Big Bang, nació la materia a fuerza de violencia y explosiones. Pero también se generó la primera dualidad: la asimetría.

Así, por cada partícula de materia (electrones, quarks) existe su gemela “malvada” (antielectrones, antiquarks). Y, cuando se encuentran, ¡pum!: se aniquilan en un abrazo de energía pura.

El problema al que se enfrentan los científicos es que en el Big Bang debería haberse creado igual cantidad de ambas, pero hoy el universo es casi solo materia. ¿Dónde se fugó la antimateria? Esa es la gran asimetría. Es como si el universo hubiera tirado un dado cargado en el Big Bang y hubiera dicho: “Materia: 1, Antimateria: 0... ¿por qué? Porque sí”.

Ahora, un nuevo estudio podría haber dado con la razón. Pero empecemos desde el principio. Imagina el universo recién nacido: un caldo de partículas y antipartículas que deben ser aniquilados por completo, dejando solo energía. Pero aquí estamos, hechos de materia sobrante. ¿Cómo? La respuesta está en un "pequeño favoritismo" cuántico, y los quarks bottom (los “pesos pesados” del mundo subatómico).

Las leyes físicas predicen simetría perfecta entre materia y antimateria, pero el universo visible es 99.999% materia. Algo rompió el equilibrio. En 1967, el físico Andréi Sájarov propuso que, si ciertas partículas se desintegran un poquito diferente a sus antipartículas, esa pequeña violación de la simetría podría explicar el exceso de materia.

Aquí es cuando entra el nuevo estudio de Nature. El artículo analiza quarks bottom y sus antipartículas, buscando diferencias en su comportamiento y los resultados mostraron que estos quarks se desintegran de forma ligeramente distinta a sus anti-quarks.

Esa mini-preferencia por la materia (una asimetría de ~0,001%) pudo ser la semilla para que, tras aniquilarse casi todo, sobrara un poquito de materia. El estudio, liderado por Xuenting Yang, analizó millones de colisiones en el LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) para medir cómo se desintegran los quarks bottom y sus anti-quarks.

Para ello, se hicieron chocar protones a 13 TeV de energía (como recrear el universo a una milmillonésima de segundo después del Big Bang). Luego se filtraron billones de colisiones (sí, billones: 10¹²) para aislar los quarks, unas partículas viven apenas 1,5 picosegundos.

Luego se midió con precisión de 0.0001% cómo sus desintegraciones generaban muones vs. antimuones. Lo sorprendente, en los tiempos de actualidad efímera y atención fragmentada, es que todo esto se consiguió a lo largo de 20 años de datos e involucró a unos 3.000 científicos de 50 países.

Los resultados mostraron que estos quarks tienden a transformarse en ciertas partículas (como muones) un 0.1% menos que sus antipartículas. Parece poco, pero en el Big Bang, esa mínima diferencia pudo ser suficiente para que sobreviviera 1 partícula de materia por cada mil millones de aniquilaciones.Es como si en el casino de la física cuántica, la materia hubiera ganado siempre por un pelo.

Pero los quarks bottom no son los únicos “tramposos”. Los quarks Strange y Charm también violan la simetría, pero demasiado poco para explicar el universo. También tenemos a los electrones y los neutrinos, aunque la asimetría es casi inexistente para ellos.

De este modo, los quarks bottom son ideales para estudiar esto porque son pesados y se desintegran de formas más variadas, lo que significa que hay más datos para cazar diferencias.

¿Por qué importa esto? Sin esta asimetría, el universo sería solo radiación. No habría estrellas, planetas, ni biología. De este modo, el nuevo estudio evidencia que nuestro universo no es simétrico, y eso es bueno: su "imperfección" nos permite existir. Somos el residuo de una batalla cuántica librada hace 13.800 millones de años.

Solo hay un problema en estos cálculos. El Modelo Estándar predice una asimetría del 0,002%, pero el valor real es 50 veces menor. Hay algunas posibles explicaciones. Una es que podría haber partículas desconocidas (como leptoquarks o dimensiones extra) influyendo en la desintegración.

Otra es que existe un error en el Modelo Estándar: quizás la teoría subestima cómo interactúan los quarks con el campo de Higgs. Y, finalmente, también es posible que solo veamos una parte del universo cuántico y estemos sacando conclusiones apresuradas.

El futuro de los científicos es actualizar el LHCb el año que viene para duplicar la precisión de las mediciones y sumar nuevos colisionadores como el FCC (Future Circular Collider) que buscará partículas predichas por esta anomalía.