Un experimento en el CERN arroja luz a por qué hay un universo en vez de nada

Una sutil diferencia permitió la supervivencia de una pequeña cantidad de materia, a partir de la cual se formó el universo que conocemos, desde las galaxias y las estrellas a nosotros mismos. Esta violación de la simetría, conocida como violación de carga-paridad CP, fue observada en 1965 en unas partículas concretas, los mesones, por dos investigadores, T. Lee y C. Yang, que posteriormente se llevarían el premio Nobel. Menos de una década después, en 1964, físicos del Laboratorio Brookhaven (EE.UU.) también detectaron este efecto y, como sus antecesores, ganaron el Nobel.

Ahora, la colaboración LHCb de CERN, un grupo de alrededor de 1.600 científicos de una veintena de países que cuenta con una numerosa participación española, ha observado el fenómeno por primera vez en desintegraciones de bariones, unas partículas que pueden ser clave en la comprensión del universo, ya que componen la mayor parte de la materia observable.

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«Sabemos que hay una asimetría en el universo entre materia y antimateria, pero hasta ahora siempre se había medido en el mismo tipo de partículas, los mesones. Estas partículas están compuestas de un quark y un antiquark. Ahora hemos visto esta misma asimetría en bariones, compuestos por tres quarks», explica a ABC María Vieites, investigadora del Instituto Gallego de Física de Partículas de Altas Energías (IGFAE) en la Universidad de Santiago de Compostela y coautora del estudio que publica este miércoles la revista 'Nature'. «Esto es relevante -continúa- porque nos abre la puerta a medir estas violaciones de simetría en un nuevo tipo de partículas, que, además, forman la mayor parte de la materia que nos rodea: en el núcleo de átomos y moléculas hay protones y neutrones, que son bariones».

Vieites, que lleva doce años en el LHCb y es actualmente la coordinadora adjunta de física en el experimento, asegura que encontrar esta asimetría en bariones ha sido realmente difícil porque el efecto es muy pequeño en comparación con el que producen los mesones. «Para realizar esta medición hemos tenido que alcanzar un nivel de precisión muy alto: una asimetría del 2,4% más menos un 0,4%», subraya.

La asimetría se ha observado en productos de las colisiones entre los protones acelerados en el LHC, el anillo de 27 km bajo la frontera franco-suiza cerca de Ginebra. Cuando estos protones colisionan a altas energías pueden generar estados de la materia con masas más altas que después se desintegran en otras partículas ligeras de materia y antimateria, como son, por ejemplo, los electrones y positrones. Aquí es donde entra en juego el LHCb, uno de los cuatro detectores del acelerador, una especie de «cámara de fotos del tamaño de un edificio de dos plantas». El detector identifica una desintegración en concreto y observa si se manifiesta la perseguida asimetría.

La investigadora aclara que el hallazgo no explica completamente qué ocurrió en esa batalla primigenia tras el Big Bang, pero es «un paso más» en su comprensión. «El LHCb ha visto una parte del modelo estándar que nunca se había visto hasta ahora -afirma-, pero ese modelo es incompleto, no es suficiente para explicar los fenómenos naturales». Por eso, el siguiente paso es «estudiar más desintegraciones de otros tipos de bariones y mejorar la precisiones estadísticas para tener resultados más precisos, al tiempo que necesitamos avanzar en física teórica para poder interpretar y comprobar si estas medidas encajan realmente bien en el modelo estándar».

«Es muy importante estudiar esta misma desintegración con más datos, que estamos obteniendo con el detector actualizado desde el año pasado, para poder mejorar la precisión de la medida y obtener información complementaria. Pero además, es importante medir otros procesos similares, por ejemplo con leptones en vez de hadrones en el estado final, para entender mejor qué procesos generan exactamente asimetría entre materia y antimateria», dice Carla Marín, profesora del departamento de Física Cuántica y Astrofísica en la Universidad de Barcelona y coautora del estudio. A su juicio, con estos resultados los científicos «estamos un poco más cerca» de entender cómo funciona esta simetría «y sabemos dónde centrar nuestros esfuerzos en los próximos años».

¿Es este un paso a una nueva física? «Quizás sí, pero quizás no», responde Marín. «El modelo estándar predice una pequeña asimetría entre materia y antimateria, y el resultado actual podría ser compatible con ello. Hay varias partículas intermedias, que llamamos resonancias, que se pueden producir en la cadena de desintegración donde hemos hecho la medida. Dependiendo de sus proporciones, la pequeña asimetría esperada en el modelo estándar se puede ver aumentada y explicar la observación actual. Necesitamos cálculos teóricos o métodos de análisis mucho más complejos, y que requieren muchos más datos, para poder descartar esta hipótesis».

A juicio de Vieites, que resalta la importancia de la aportación española en el detector desde su construcción, actualmente ninguna otra máquina en el mundo es capaz de obtener esos resultados en bariones con ese nivel de precisión. «La ciencia básica es una inversión -recuerda-. La hacemos para entender el universo, para describir el manual de instrucciones. Primero debemos saber cómo funciona y luego llegan las aplicaciones, la mayoría de las cuales no habríamos podido imaginar en un principio, como las numerosas aplicaciones de la radiación y los detectores de partículas en el ámbito de la física médica».

«Tras el descubrimiento del bosón de Higgs, partícula que permite adecuar la generación de masas en el marco del modelo estándar y otros logros algo menos populares, nos encontramos ante un nuevo hito científico en este campo de investigación. La consecución de estos objetivos sólo es posible gracias a grandes proyectos de colaboración científico internacional como lo es el acelerador LHC y los experimentos que en él operan en el marco del laboratorio CERN», afirma Julio Lozano, físico de la Universidad de Alcalá de Henares que no ha participado en el estudio. «Si bien los resultados publicados no aportan información directa que ayude a explicar la ausencia de antimateria -prosigue-, sí abren nuevas vías para avanzar en este campo. Suponen un paso más, si bien muy relevante, en la búsqueda del motivo de la aparente desaparición de la la antimateria. Toda nueva medida que se realiza permite acotar los modelos BSM (Beyond the Standard Model) que puedan explicar la supresión de la antimateria más allá de lo que admite el modelo estándar».