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¿Por qué la 'materia' domina el universo y no la 'antimateria'? En busca de por qué existe el universo

CIENCIASFÍSICA¿Por qué la 'materia' domina el universo y no la 'antimateria'? En busca de por qué existe el universo

En el universo muy temprano, poco después del Big Bang, la 'materia' y la 'antimateria' existían en igual cantidad. Sin embargo, por razones desconocidas hasta ahora, la "materia" domina el universo actual. Los investigadores de T2K han demostrado recientemente la aparición de una posible violación de la paridad de carga en neutrinos y las correspondientes oscilaciones antineutrinos. Este es un paso adelante en la comprensión de por qué la materia domina el universo.

El Big Bang (que ocurrió hace unos 13.8 millones de años) y otras teorías de la física relacionadas sugieren que los primeros universo era la radiación 'dominante' y la 'materia' y el 'antimateria'existía en igual cantidad.

Pero el universo que conocemos hoy es dominante en la "materia". ¿Por qué? Este es uno de los misterios más intrigantes del universo. (1).

La universo que conocemos hoy comenzó con cantidades iguales de 'materia' y 'antimateria', ambas fueron creadas en pares como lo requería la ley de la naturaleza y luego se aniquilaron repetidamente produciendo radiación conocida como 'radiación cósmica de fondo'. Dentro de aproximadamente 100 microsegundos del Big Bang, la materia (partículas) de alguna manera comenzó a superar en número a las antipartículas, digamos una en cada mil millones y en segundos toda la antimateria fue destruida, dejando solo materia.

¿Cuál es el proceso o mecanismo que crearía este tipo de diferencia o asimetría entre la materia y la antimateria?

En 1967, el físico teórico ruso Andrei Sakharov postuló tres condiciones necesarias para que ocurriera un desequilibrio (o producción de materia y antimateria a diferentes velocidades) en el universo. La primera condición de Sajarov es la violación del número bariónico (un número cuántico que permanece conservado en una interacción). Significa que los protones se desintegraron extremadamente lentamente en partículas subatómicas más ligeras como un pión neutro y un positrón. De manera similar, un antiprotón se descompuso en un pión y un electrón. La segunda condición es la violación de la simetría de conjugación de carga, C, y la simetría de conjugación de carga-paridad, CP también llamada violación de carga-paridad. La tercera condición es que el proceso que genera asimetría bariónica no debe estar en equilibrio térmico debido a una expansión rápida que disminuye la ocurrencia de aniquilación de pares.

Es el segundo criterio de violación de CP de Sajarov, que es un ejemplo de una especie de asimetría entre partículas y sus antipartículas que describe la forma en que se descomponen. Al comparar la forma en que se comportan las partículas y las antipartículas, es decir, la forma en que se mueven, interactúan y decaen, los científicos pueden encontrar evidencia de esa asimetría. La violación del CP proporciona una evidencia de que algunos procesos físicos desconocidos son responsables de la producción diferencial de materia y antimateria.

Se sabe que las interacciones electromagnéticas y "fuertes" son simétricas bajo C y P y, en consecuencia, también son simétricas bajo el producto CP (3). '' Sin embargo, este no es necesariamente el caso de la 'interacción débil', que viola las simetrías C y P '' dice el Prof. BA Robson. Además, dice que "la violación de CP en interacciones débiles implica que tales procesos físicos podrían conducir a una violación indirecta del número de bariones, de modo que se preferiría la creación de materia a la creación de antimateria". Las partículas que no son de quarks no muestran violaciones de CP, mientras que las violaciones de CP en los quarks son demasiado pequeñas e insignificantes para tener una diferencia en la creación de materia y antimateria. Entonces, la violación de CP en leptones (neutrinos) se vuelve importante y, si se prueba, respondería por qué el universo es dominante en la materia.

Aunque la violación de la simetría CP aún no se ha demostrado de manera concluyente (1), los hallazgos informados por el equipo de T2K muestran recientemente que los científicos están muy cerca de ella. Se ha demostrado por primera vez que se favorece la transición de partícula a electrón y neutrino sobre la transición de antipartícula a electrón y antineutrino, a través de experimentos altamente sofisticados en T2K (Tokai a Kamioka) (2). T2K se refiere a un par de laboratorios, el Complejo de Investigación del Acelerador de Protones Japonés (J-Parc) en Tokai y el observatorio de neutrinos subterráneo Super-Kamiokande en el Kamioka, Japón, separados por unos 300 km. El acelerador de protones en Tokai generó las partículas y antipartículas de colisiones de alta energía y los detectores en Kamioka observaron los neutrinos y sus contrapartes de antimateria, antineutrinos, haciendo mediciones muy precisas.

Después del análisis de varios años de datos en T2K, los científicos pudieron medir el parámetro llamado delta-CP, que gobierna la ruptura de la simetría CP en la oscilación de neutrinos y encontraron el desajuste o una preferencia por la mejora de la tasa de neutrinos que eventualmente puede conducir a la confirmación de la violación de CP en la forma en que oscilaron los neutrinos y antineutrinos. Los resultados encontrados por el equipo de T2K son significativos con una significación estadística de 3 sigma o un nivel de confianza del 99.7%. Es un logro histórico, ya que la confirmación de la violación del CP que involucra a los neutrinos está relacionada con el dominio de la materia en el universo. Experimentos adicionales con una base de datos más grande probarán si esta violación de simetría de CP leptónica es mayor que la violación de CP en quarks. Si es así, finalmente tendremos la respuesta a la pregunta ¿Por qué el universo es la materia dominante?

Aunque el experimento T2K no establece claramente que se haya producido una violación de la simetría de CP, es un hito en el sentido de que muestra de manera concluyente una fuerte preferencia por la velocidad de neutrones de electrones mejorada y nos acerca para probar la ocurrencia de la violación de la simetría de CP y, finalmente, a la responder "por qué el universo es la materia dominante".

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Referencias:

1. Universidad de Tokio, 2020. '' Los resultados de T2K restringen los posibles valores de la fase de CP de neutrinos -… .. '' Comunicado de prensa publicado el 16 de abril de 2020. Disponible en línea en http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Consultado el 17 de abril de 2020.

2. The T2K Collaboration, 2020. Restricción en la fase de violación de la simetría materia-antimateria en las oscilaciones de neutrinos. Nature, volumen 580, páginas 339–344 (2020). Publicado: 15 de abril de 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

3. Robson, BA, 2018. El problema de asimetría materia-antimateria. Revista de física, gravitación y cosmología de altas energías, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015

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