Comenzó con una explosión. . .
El universo está ahí fuera, esperando que lo descubras
En todas las escalas del Universo, desde nuestro vecindario local hasta el medio interestelar y las galaxias individuales hasta los cúmulos y filamentos y la gran red cósmica, todo lo que observamos parece estar hecho de materia normal y no de antimateria. Este es un misterio inexplicado. Crédito de la imagen: NASA, ESA y el Hubble Heritage Team (STScI / AURA)
Por Ethan Siegel, para Forbes Enero 5 de 2018
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, colaborador de Forbes son suyas, exclusivamente.
Cuando observas la inmensidad del Universo, los planetas, las estrellas, las galaxias y todo lo que hay por ahí, una pregunta obvia clama por una explicación: ¿por qué hay algo en lugar de nada? El problema empeora cuando consideramos las leyes de la física que gobiernan nuestro Universo, que parecen ser completamente simétricas entre la materia y la antimateria. Sin embargo, al mirar lo que hay afuera, encontramos que todas las estrellas y galaxias que vemos están hechas al 100% de materia, con apenas antimateria en absoluto. Claramente, existimos, como lo hacen las estrellas y las galaxias que vemos, así que algo debe haber creado más materia que antimateria, haciendo que el Universo que conocemos sea posible. Pero, ¿cómo ha pasado? Es uno de los mayores misterios del universo, pero uno que estamos más cerca que nunca de resolver.
La materia y el contenido de energía en el Universo en este momento (izquierda) y en épocas anteriores (derecha). Tenga en cuenta la presencia de energía oscura, materia oscura y la prevalencia de la materia normal sobre la antimateria, que es tan pequeña que no contribuye en ninguno de los momentos que se muestran. Crédito de la imagen: NASA, modificado por el usuario de Wikimedia Commons 老陳, modificado posteriormente por E. Siegel
Considere estos dos hechos sobre el Universo y cuán contradictorios son:
1. Toda interacción entre partículas que hemos observado alguna vez, a todas las energías, nunca ha creado o destruido una sola partícula de materia sin crear o destruir un número igual de partículas de antimateria.
2. Cuando miramos hacia el Universo, a todas las estrellas, galaxias, nubes de gas, cúmulos, supercúmulos y estructuras de mayor escala en todas partes, todo parece estar hecho de materia y no de antimateria.
Parece una imposibilidad. Por un lado, no existe una forma conocida, dadas las partículas y sus interacciones en el Universo, de hacer más materia que antimateria. Por otro lado, todo lo que vemos está hecho definitivamente de materia y no de antimateria. Así es como lo sabemos.
La producción de pares de materia / antimateria (izquierda) a partir de energía pura es una reacción completamente reversible (derecha), con la materia / antimateria que se aniquila a la energía pura. Este proceso de creación y aniquilación, que obedece a E = mc ^ 2, es la única forma conocida de crear y destruir materia o antimateria. Crédito de la imagen: Dmitri Pogosyan / Universidad de Alberta
Siempre y cuando la antimateria y la materia se encuentren en el Universo, hay una explosión fantástica de energía debido a la aniquilación de partículas y antipartículas. De hecho, observamos esta aniquilación en algunos lugares, pero solo alrededor de fuentes hiper-energéticas que producen materia y antimateria en cantidades iguales, como alrededor de agujeros negros masivos. Cuando la antimateria se encuentra con la materia en el Universo, produce rayos gamma de frecuencias muy específicas, que luego podemos detectar. El medio interestelar e intergaláctico está lleno de material, y la ausencia completa de estos rayos gamma es una señal fuerte de que no hay grandes cantidades de partículas de antimateria volando por ningún lado, ya que esa firma de materia / antimateria se mostraría.
Ya sea en cúmulos, galaxias, nuestro propio vecindario estelar o nuestro Sistema Solar, tenemos límites tremendos y poderosos sobre la fracción de antimateria en el Universo. No puede haber ninguna duda: todo en el Universo está dominado por la materia. Crédito de la imagen: Gary Steigman, 2008, a través de http://arxiv.org/abs/0808.1122
En el medio interestelar de nuestra propia galaxia, el promedio de vida sería del orden de 300 años, ¡lo cual es muy pequeño en comparación con la edad de nuestra galaxia! Esta restricción nos dice que, al menos dentro de la Vía Láctea, la cantidad de antimateria que se puede mezclar con la materia que observamos es como mucho 1 parte en 1,000,000,000,000,000. En escalas mayores -de galaxias y cúmulos de galaxias, por ejemplo- las restricciones son menos estrictas pero aún muy fuertes. Con observaciones que abarcan desde unos pocos millones de años luz de distancia hasta más de tres mil millones de años luz de distancia, hemos observado la escasez de los rayos X y los rayos gamma que esperaríamos de la aniquilación de la materia y la antimateria. Lo que hemos visto es que incluso en grandes escalas cosmológicas, el 99.999% de lo que existe en nuestro Universo es definitivamente materia (como nosotros) y no antimateria.
Esta es la nebulosa de reflexión IC 2631, según la imagen del telescopio MPG / ESO de 2,2 metros. Ya sea dentro de nuestra propia galaxia o entre galaxias, simplemente no hay evidencia de las firmas de rayos gamma que necesitarían existir si hubiera bolsas significativas, estrellas o galaxias hechas de antimateria. Crédito de la imagen: ESO
De alguna manera, aunque no estamos del todo seguros de cómo, tuvimos que haber creado más materia que antimateria en el pasado del Universo. Lo cual es aún más confuso por el hecho de que la simetría entre materia y antimateria, en términos de física de partículas, es aún más explícita de lo que se podría pensar. Por ejemplo:
- cada vez que creamos un quark, también creamos un antiquark,
- cada vez que se destruye un quark, también se destruye un antiquark,
- cada vez que creamos o destruimos un lepton, también creamos o destruimos un antilepton de la misma familia de lepton, y
- cada vez que un quark-o-lepton experimenta una interacción, colisión o decadencia, el número neto total de quarks y leptones al final de la reacción (quarks menos antiquarks, leptones menos antileptons) es el mismo al final que en el comenzando.
La única forma en que hemos fabricado más (o menos) materia en el Universo ha sido crear más (o menos) antimateria en una cantidad igual.
Las partículas y antipartículas del Modelo Estándar obedecen todo tipo de leyes de conservación, pero existen pequeñas diferencias entre el comportamiento de ciertos pares de partículas / antipartículas que pueden ser indicios del origen de la bariogénesis. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond The Galaxy
Pero sabemos que debe ser posible; la única pregunta es cómo sucedió. A finales de la década de 1960, el físico Andrei Sakharov identificó tres condiciones necesarias para la bariogénesis, o la creación de más bariones (protones y neutrones) que los anti-bariones. Ellos son los siguientes:
1 El Universo debe ser un sistema fuera de equilibrio.
2. Debe exhibir violación C y CP.
3. Debe haber interacciones que violen el número barión.
El primero es fácil, porque un Universo en expansión y enfriamiento con partículas inestables (y / o antipartículas) en él está, por definición, fuera de equilibrio. El segundo es fácil, también, ya que la simetría "C" (que reemplaza las partículas con antipartículas) y la simetría "CP" (que reemplaza las partículas con antipartículas reflejadas en el espejo) se violan en las interacciones débiles.
Un mesón normal gira en sentido contrario a las agujas del reloj alrededor de su Polo Norte y luego se descompone con un electrón que se emite a lo largo de la dirección del Polo Norte. La aplicación de la simetría C reemplaza las partículas con antipartículas, lo que significa que deberíamos tener un antimesón girando en sentido contrario a las agujas del reloj sobre su desintegración del Polo Norte al emitir un positrón en la dirección Norte. De manera similar, la simetría P arroja lo que vemos en un espejo. Si las partículas y antipartículas no se comportan exactamente igual bajo las simetrías C, P o CP, se dice que se viola esa simetría. Hasta ahora, solo la interacción débil viola cualquiera de los tres. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond The Galaxy
Eso deja la pregunta de cómo violar el número de bariones. En el Modelo Estándar de física de partículas, a pesar de la conservación observada del número de bariones, no existe una ley de conservación explícita para ese o el número de lepton (donde un lepton es una partícula como un electrón o un neutrino). En cambio, es solo la diferencia entre bariones y leptones, B - L, que está conservada. Entonces, bajo las circunstancias correctas, no solo puedes fabricar protones adicionales, puedes hacer que los electrones que necesites vayan con ellos.
Sin embargo, cuáles son esas circunstancias todavía es un misterio. En las primeras etapas del Universo, esperamos que existan cantidades iguales de materia y antimateria, con velocidades y energías muy altas.
A las altas temperaturas alcanzadas en el Universo muy joven, no solo se pueden crear partículas y fotones de forma espontánea, con suficiente energía, sino también con antipartículas y partículas inestables, lo que resulta en una sopa primordial de partículas y antipartículas. Crédito de la imagen: Brookhaven National Laboratory
A medida que el Universo se expande y se enfría, las partículas inestables, una vez creadas en gran abundancia, se descompondrán. Si se cumplen las condiciones adecuadas, pueden conducir a un exceso de materia sobre la antimateria, incluso cuando no hubo ninguna inicialmente. Hay tres posibilidades principales de cómo podría haber surgido este exceso de materia sobre la antimateria:
La nueva física en la escala electrodébil podría mejorar en gran medida la cantidad de C y violación de CP en el Universo, lo que lleva a una asimetría entre la materia y la antimateria. Las interacciones de Sphaleron, que violan B y L individualmente (pero conservan B - L) pueden generar las cantidades correctas de bariones y leptones. Esto podría ocurrir sin supersimetría o con supersimetría, según el mecanismo.
La nueva física de neutrinos a altas energías, de la cual tenemos una gran pista, podría crear una asimetría leptónica fundamental desde el principio: la leptogénesis. Los sphalerons, que conservan B - L, usarían entonces esa asimetría de leptones para generar una asimetría bariónica.
O la bariogénesis a escala GUT, donde se encuentra que la nueva física (y las nuevas partículas) existen en la gran escala de unificación, donde la fuerza electrodébil se unifica con la fuerza fuerte.
Todos estos escenarios tienen algunos elementos en común, así que veamos el último, solo como un ejemplo, para ver qué pudo haber pasado.
Además de las otras partículas en el Universo, si la idea de una Gran Teoría Unificada se aplica a nuestro Universo, habrá bosones superpesados adicionales, partículas X e Y, junto con sus antipartículas, que se mostrarán con sus cargas apropiadas en medio del calor mar de otras partículas en el Universo temprano. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond The Galaxy
Si la gran unificación es verdadera, entonces debería haber nuevas partículas súper pesadas, llamadas X e Y, que tienen propiedades tipo barión y leptones. También deberían existir sus equivalentes antimateria: anti-X y anti-Y, con los números B-L opuestos y las cargas opuestas, pero la misma masa y duración. Estos pares de partículas y antipartículas se pueden crear en gran abundancia a energías suficientemente altas, y luego se descompondrán en tiempos posteriores.
Entonces tu Universo puede llenarse con ellos y luego se descompondrán. Sin embargo, si tiene una violación de C y de CP, es posible que existan pequeñas diferencias entre la decadencia de las partículas y las antipartículas (X / Y vs. anti-X / anti-Y).
Si permitimos que las partículas X e Y se descompongan en las combinaciones de quarks y leptones mostradas, sus contrapartes antipartícula se degradarán en las respectivas combinaciones de antipartículas. Pero si se viola CP, las vías de descomposición -o el porcentaje de partículas que se descomponen de una manera versus otra- pueden ser diferentes para las partículas X e Y en comparación con las partículas anti-X y anti Y, lo que resulta en una producción neta de bariones antibaryons y leptons sobre antileptons. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond The Galaxy
Si su partícula X tiene dos vías: descomposición en dos quarks hacia arriba o un quark anti-abajo y un positrón, entonces el anti-X tiene que tener dos vías correspondientes: dos quarks anti-up o un quark down y un electrón. Observe que la X tiene B - L de dos tercios en ambos casos, mientras que la anti - X tiene dos tercios negativos. Es similar para las partículas Y / anti-Y. Pero hay una diferencia importante que se permite con C y violación de CP: la X podría ser más propensa a decaer en dos quarks ascendentes que la anti-X es decaer en dos quarks anti-up, mientras que el anti-X podría ser es más probable que se descomponga en un quark hacia abajo y en un electrón que la X se descomponga en un quark anti-down y un positrón.
Si tiene suficientes pares X / anti-X e Y / anti-Y, y se descomponen de esta manera permitida, puede fácilmente hacer un exceso de bariones sobre los anticarionarios (y leptones sobre antileptones) donde no había ninguno anteriormente.
Si las partículas se descompusieran según el mecanismo descrito anteriormente, nos quedaríamos con un exceso de quarks sobre antiquarks (y leptones sobre antileptons) después de que todas las partículas inestables y superpesadas se desvanecieran. Después de que el exceso de pares de partículas y antipartículas se aniquilara (emparejado con líneas rojas punteadas), estaríamos
izquierda con un exceso de quarks arriba y abajo, que componen protones y neutrones en combinaciones de up-up-down y up-down-down, respectivamente, y electrones, que coincidirán con los protones en número. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond The Galaxy
En otras palabras, puedes comenzar con un Universo completamente simétrico, que obedezca todas las leyes conocidas de la física y que espontáneamente cree materia y antimateria solo en pares iguales y opuestos, y termine con un exceso de materia sobre antimateria en el final. Tenemos múltiples caminos posibles hacia el éxito, pero es muy probable que la naturaleza solo necesite que uno de ellos nos dé nuestro Universo.
El hecho de que existimos y estamos hechos de materia es indiscutible; la pregunta de por qué nuestro Universo contiene algo (materia) en vez de nada (de una mezcla igual de materia y antimateria) es una que debe tener una respuesta. En este siglo, los avances en las pruebas de electroweak de precisión, la tecnología de colisionador y los experimentos que exploran la física de partículas más allá del Modelo Estándar pueden revelar exactamente cómo sucedió. Y cuando lo haga, uno de los mayores misterios de la existencia finalmente tendrá una solución.
El astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor principal de Starts With A Bang! Sus libros, Treknology y Beyond The Galaxy, están disponibles dondequiera que se vendan libros.
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