Por qué el universo está lleno de materia, en lugar de antimateria, es uno de los grandes misterios de la física. Un experimento en Japón ha encontrado una posible explicación: las partículas subatómicas llamadas neutrinos podrían comportarse de forma diferente en sus formas de materia y antimateria.

Puede que esta disparidad –que se anunció el 6 de agosto en la Conferencia Internacional de Física de Alta Energía (ICHEP, por sus siglas en inglés) en Chicago, Illinois– no sea real: se necesitan más datos para estar seguros. “Yo apostaría a que probablemente sí existe esta diferencia en los neutrinos, pero sería prematuro afirmar que podemos verla”, dice André de Gouvêa, físico teórico de la Universidad de Northwestern en Evanston, Illinois.

Aun así, es probable que este anuncio aumente el interés por el estudio de los neutrinos –esas partículas abundantes pero elusivas que son consideradas clave para resolver muchos de los rompecabezas de la física–.

En la década de 1990, se encontró que los neutrinos desafiaban las predicciones del “modelo estándar” de la física –una exitosa, pero incompleta, descripción de la naturaleza– por su virtud de poseer masa, en lugar de no tener masa alguna. Desde entonces, han ido surgiendo experimentos de neutrinos por todo el mundo, y los investigadores se están dando cuenta de que deben mirar a estas partículas para encontrar nuevas explicaciones de cómo funciona la física, dice Keith Matera, un físico que trabaja en un experimento de neutrinos llamado NOvA, en el Laboratorio Acelerador Nacional Fermi (Fermilab, por sus siglas en inglés) en Batavia, Illinois. “Ellos son la fisura en el modelo estándar”, dice.

Una rara abundancia

La cantidad de materia en nuestro universo es muchísimo mayor que la cantidad de antimateria, porque si las partículas hubieran sido producidas en cantidades iguales tras el big bang, se habrían aniquilado mutuamente al entrar en contacto, y tan solo hubiera quedado radiación. Los físicos han observado diferencias en el comportamiento de algunas partículas de materia y partículas antimateria, como kaones y mesones B –pero no son lo suficiente para explicar por qué la materia domina el universo–.

Una respuesta podría ser que las partículas súper-pesadas decayeron en los inicios del universo de una forma asimétrica, produciendo más materia que antimateria. Algunos físicos creen que un familiar ‘peso pesado’ del neutrino podría ser el culpable. Según esta teoría, si los neutrinos y antineutrinos se comportan de forma diferente hoy en día, podría haber habido un desequilibrio similar en sus predecesores en la antigüedad que explicaría la abundancia de la materia.

Para probar esto, los investigadores del experimento de Tokai a Kamioka (T2K) en Japón buscaron diferencias en la forma en que los neutrinos de materia y antimateria oscilan entre tres tipos, o ‘sabores’, a medida que viajan. Para eso, dispararon flujos de neutrinos de un sabor –neutrinos muónicos– desde un acelerador de protones en el pueblo costero de Tokaimura (en el Japan Proton Accelerator Research Complex) hacia el detector SuperKamiokande, un tanque de acero que está bajo tierra a más de 295 kilómetros de distancia y lleno de 50.000 toneladas de agua. El equipo contó cuantos neutrinos electrónicos llegaron al otro lado– una señal de que los neutrinos muónicos se habían transformado a un sabor diferente a lo largo del recorrido. Luego repitieron el experimento con un haz de antineutrinos muónicos.

Los dos haces se comportaron de forma ligeramente diferente, dijo Konosuke Iwamoto, un físico de la Universidad de Rochester, en Nueva York, durante su presentación en el ICHEP.

Oscilaciones extrañas

Según el equipo, si no hubiera diferencia entre la materia y la antimateria, su detector habría, después de casi seis años de experimentos, detectado 24 neutrinos electrónicos y – ya que la antimateria es más difícil de producir y detectar – siete antineutrinos electrónicos.

Sin embargo, 32 neutrinos y cuatro antineutrinos llegaron a su detector. “Sin necesidad de entrar en las matemáticas complicadas, esto sugiere que la materia y la antimateria no oscilan de la misma forma”, dice Chang Kee Jung, físico de la Universidad de Stony Brook en Nueva York y miembro del experimento T2K.

Los resultados preliminares de los experimentos de T2K y NOvA señalaban lo mismo. Pero por las observaciones que se han hecho hasta ahora podrían ser el resultado de una fluctuación casual; hay una probabilidad de 1 entre 20 (o en términos estadísticos, alrededor de 2 sigma) de observar estos resultados si es que los neutrinos y antineutrinos se comportaran de forma idéntica, señala Jung.

Se necesitan tomar muchos más datos para confirmar la señal. Para el final de su experimento en 2021, el experimento T2K deberá tener cinco veces más datos de los que tiene hoy en día. Sin embargo, el equipo necesitará una cantidad de datos 13 veces superior para que la confianza estadística en el hallazgo llegue a 3 sigma, al superar este umbral estadístico los datos serían aceptados por la mayoría de los científicos como prueba razonable de que hay asimetría, aunque no lleguen a ser completamente convincentes.

Dos mejor que uno

El equipo de T2K ha propuesto ampliar su experimento hasta el 2025 para poder recopilar todos los datos que necesita. Pero también está tratando de acelerar la recopilación de datos combinando sus resultados con los de NoVA, que envía un haz de neutrinos en un recorrido de 810 kilómetros desde Fermilab hacia una mina en el norte de Minnesota. NOvA ha estado disparando haces de neutrinos, pero cambiará a haces de antineutrinos en 2017. Los dos grupos han acordado hacer un análisis conjunto y podrían alcanzar el 3 sigma en el 2020, dice Jung.

Para llegar a la certeza estadística necesaria para anunciar un descubrimiento oficial –5 sigma– se requeriría una nueva generación de experimentos de neutrinos que ya están siendo planeados en todo el mundo.

Los investigadores de NoVA presentaron otro interesante, aunque preliminar, descubrimiento en el ICHEP, que también se deduce del estudio de la velocidad a la que los neutrinos muónicos cambian a neutrinos electrónicos: una pista que podría a llegar a explicar cuál de los tres diferentes estados de masa en los neutrinos es el más pesado. Sus resultados favorecen ligeramente la idea de que hay un orden normal de masa, en lugar de un orden invertido. Averiguar cuál es ayudaría a los científicos a decidir entre teorías rivales que tratan de explicar cómo las cuatro fuerzas de la naturaleza se unen en una sola fuerza a altas energías, como ocurrió durante el big bang.

Los físicos están haciendo descubrimientos sobre los neutrinos casi todos los años, dice de Gouvêa: “Comparado con el ritmo en el que se mueve la física de partículas, esto está cambiando muy, muy rápidamente”.

Este artículo se reproduce con permiso y se publicó el 12 de agosto de 2016.

Fuente: Scientific American