Por Don Lincoln, para CNN News Mayo 4 de 2018
(CNN) Parece que en todas partes donde miramos, el universo está equilibrado. Vida y muerte. Yin y yang. Caballeros Jedi y señores Sith. Pero no es verdad del universo como un todo.
En la superficie, eso podría no ser obvio, pero ha sido obvio para los científicos durante casi un siglo. Y un anuncio reciente del experimento ALPHA basado en el laboratorio CERN, en las afueras de Ginebra, Suiza, puede ayudarnos a descubrir por qué.
Don Lincoln
Nuestro universo está hecho de materia. Eso podría ganar el premio por "declaración obvia del año", pero en realidad es una de las observaciones más desconcertantes de la ciencia moderna.
En 1928, el físico británico Paul Dirac estaba jugueteando con las nuevas teorías de la mecánica cuántica y la relatividad especial, intentando fusionarlas en una teoría única que explicaría el comportamiento de la materia ordinaria.
Sus ecuaciones tuvieron éxito al hacerlo, pero tenían una característica inesperada. No tenían una, sino dos soluciones. El primero explicaba el mundo familiar de los átomos, pero la segunda solución parecía describir algún tipo de mundo espejo, con todo al revés.
Utilizando el lenguaje moderno, sus ecuaciones predijeron no solo el electrón con carga negativa, sino también una partícula primo con masa idéntica y carga positiva, un antielectrón que ahora llamamos positrón. De manera similar, predijo tanto el protón cargado positivamente como un "antiprotón" cargado negativamente.
De hecho, Dirac predijo que para cada tipo de partícula conocida que descubrimos, existe una "antipartícula" correspondiente. El término genérico para esta sorprendente sustancia es antimateria . Mientras que la antimateria suena como ciencia ficción, definitivamente es un hecho científico. Fue descubierto en agosto de 1932 por el físico estadounidense Carl Anderson.
La antimateria es exactamente como la materia, pero con carga eléctrica opuesta. En principio, deberías poder combinar antiprotones y positrones y fabricar moléculas, células, planetas y personas antiatómicas e incluso antimateria. Podría haber una galaxia antimateria completa por ahí. Sin embargo, solo hay un problema.
La antimateria está casi completamente ausente del cosmos.
Eso resulta ser muy difícil de explicar, porque las ecuaciones de Dirac no solo nos dicen que la antimateria debe existir, sino que nos dice cómo hacerlo. La teoría de la relatividad especial de Einstein describe cómo la energía y la masa son intercambiables. Si concentras suficiente energía, puedes crear materia. Pero, cuando haces la materia, creas una cantidad idéntica de antimateria.
Hacer antimateria es extremadamente fácil usando tecnología moderna. Los aceleradores de partículas gigantes, como los de Fermilab en Illinois o CERN, constantemente hacen y estudian la antimateria. Y el proceso es muy bien entendido. La energía siempre crea materia y antimateria en cantidades iguales.
Y ahí es donde surge el rompecabezas. Sabemos que nuestro universo fue creado en un proceso llamado Big Bang, que lanzó una increíble cantidad de energía. A medida que el universo se expandió y se enfrió, debería haber hecho cantidades iguales de materia y antimateria.
Sin embargo, nuestro universo consiste esencialmente en la materia, y ahí radica el problema: tenemos dos observaciones que son indiscutibles (la producción de cantidades iguales de materia y antimateria, y la preponderancia de la materia) y están en total contradicción entre sí. Este es un desacuerdo dolorosamente obvio y es uno de los principales misterios de la ciencia moderna.
La única conclusión lógica es que en la formación y expansión del universo sucedió algo que favoreció a la materia por sobre la antimateria. Los científicos han intentado durante décadas identificar cómo sucedió eso, en vano
Hay muchos enfoques indirectos para tratar de comprender lo que podría haber inclinado este equilibrio, como uno reciente que involucra una oscura partícula subatómica llamada neutrino. Pero la forma más directa de resolver esto es simplemente hacer antimateria y probarla de la misma manera que hacemos la materia ordinaria. Si vemos alguna diferencia, estaremos en algo.
Un método es observar la luz emitida o absorbida por los átomos de hidrógeno. Los científicos han estudiado la longitud de onda de la luz necesaria para hacer que un electrón en un átomo de hidrógeno salte de su estado de energía más bajo al siguiente más alto. Esta medida es increíblemente precisa.
Los investigadores conocen la longitud de onda de la luz necesaria con 15 dígitos de precisión. Si fuera posible hacer una medición similar con antimateria de hidrógeno, ese sería un buen lugar para buscar diferencias entre materia y antimateria.
Recientemente, la colaboración de ALPHA en el CERN anunció en la revista Nature que había realizado mediciones ultraprecisas de la absorción de la luz en átomos de antihidrógeno. Descubrieron que la longitud de onda coincidía con lo que se veía en los átomos de hidrógeno.
La medición de antihidrógeno tenía una precisión de 12 dígitos; no con el mismo nivel de precisión que se ve en el hidrógeno, pero lo suficientemente bueno para hacer restricciones muy precisas sobre las posibles diferencias entre la materia y la antimateria.
Y los investigadores están muy seguros de que podrán mejorar sus aparatos y, por lo tanto, la precisión de sus mediciones en aproximadamente el mismo nivel alcanzado con el uso de hidrógeno.
Recientemente visité el CERN y recorrí el experimento ALPHA con Jeffrey Hangst, el líder del experimento. Cuando nos apoyamos en la barandilla mirando el experimento, noté que había una brecha en el equipo entre la tubería que lleva los antiprotones a su aparato y su detector.
Le pregunté qué pasaba con eso, y él tranquilamente me dijo que estaban armando una versión modificada de su experimento que sería capaz de responder a una pregunta largamente sin respuesta, "¿Decae la antimateria?"
Cualquier jugador que quiera ganar debe apostar que la respuesta es "no". Esencialmente, todos los físicos teóricos confían en que la antimateria se ve afectada por la gravedad de la misma manera que la materia. Pero nunca ha sido probado. El experimento ALPHA espera poder responder definitivamente a esta pregunta más adelante este año. Si los teóricos han predicho mal, esta será la medida física de la década.
Todavía no sabemos por qué no hay antimateria observable en nuestro universo, pero no es por falta de intentos. ALPHA y sus experimentos hermanos están avanzando, desarrollando técnicas y tecnologías que podrían responder a esta pregunta increíblemente desconcertante. Pronto, podemos entender lo que hace funcionar nuestro universo.
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Don Lincoln es un investigador de física y autor de "El gran colisionador de hadrones: la historia extraordinaria del bosón de Higgs y otras cosas que harán volar tu mente". También produce una serie de videos de educación científica. Síguelo en Facebook. Las opiniones expresadas en este comentario son exclusivamente suyas.