Cuando los físicos teóricos como yo decimos que estamos estudiando por qué existe el universo, sonamos como filósofos. Pero los nuevos datos recopilados por los investigadores que utilizan el Telescopio Subaru de Japón han arrojado luz sobre esta misma pregunta.
El Big Bang inició el universo tal como lo conocemos hace 13.800 millones de años. Muchas teorías en física de partículas sugieren que para toda la materia creada en la concepción del universo, se debería haber creado una cantidad igual de antimateria junto con ella. La antimateria, como la materia, tiene masa y ocupa espacio. Sin embargo, las partículas de antimateria exhiben las propiedades opuestas de sus correspondientes partículas de materia.
Cuando las piezas de materia y antimateria chocan, se aniquilan entre sí en una poderosa explosión, dejando solo energía. Lo intrigante de las teorías que predicen la creación de un equilibrio igual entre la materia y la antimateria es que, si fueran ciertas, las dos se habrían aniquilado por completo, dejando el universo vacío.
Así que debe haber habido más materia que antimateria en el nacimiento del universo, porque el universo no está vacío, está lleno de cosas hechas de materia como galaxias, estrellas y planetas. Hay algo de antimateria a nuestro alrededor, pero es muy raro.
Como físico que trabaja con los datos de Subaru, estoy interesado en el llamado problema de asimetría entre materia y antimateria. En nuestro estudio reciente, mis colaboradores y yo descubrimos que la nueva medición del telescopio de la cantidad y el tipo de helio en galaxias distantes puede ofrecer una solución a este misterio de larga data.
después del gran estallido
En los primeros milisegundos después del Big Bang, el universo estaba caliente, denso y lleno de partículas elementales como protones, neutrones y electrones nadando en un plasma. En este grupo de partículas también estaban presentes los neutrinos, que son partículas muy pequeñas que interactúan débilmente, y los antineutrinos, sus contrapartes de antimateria.
Los físicos creen que solo un segundo después del Big Bang, los núcleos de elementos ligeros como el hidrógeno y el helio comenzaron a formarse. Este proceso se conoce como Nucleosíntesis Big Bang. Los núcleos formados eran aproximadamente un 75 % de núcleos de hidrógeno y un 24 % de núcleos de helio, además de pequeñas cantidades de núcleos más pesados.
La teoría más aceptada por la comunidad física sobre la formación de estos núcleos nos dice que los neutrinos y antineutrinos jugaron un papel fundamental en la creación, en particular, de los núcleos de helio.
La creación de helio en el universo primitivo ocurrió en un proceso de dos pasos. Primero, los neutrones y los protones se convirtieron entre sí en una serie de procesos que involucraban neutrinos y antineutrinos. A medida que el universo se enfrió, estos procesos se detuvieron y se estableció la relación entre protones y neutrones.
Como físicos teóricos, podemos crear modelos para probar cómo la relación entre protones y neutrones depende del número relativo de neutrinos y antineutrinos en el universo primitivo. Si hubiera más neutrinos presentes, nuestros modelos mostrarían más protones y, como resultado, existirían menos neutrones.
A medida que el universo se enfriaba, se formaron hidrógeno, helio y otros elementos a partir de estos protones y neutrones. El helio se compone de dos protones y dos neutrones, y el hidrógeno es solo un protón y ningún neutrón. Por lo tanto, cuantos menos neutrones haya disponibles en el universo primitivo, menos helio se produciría.
Dado que los núcleos formados durante la Nucleosíntesis del Big Bang todavía se pueden observar hoy, los científicos pueden inferir cuántos neutrinos y antineutrinos estaban presentes durante el universo primitivo. Lo hacen mirando específicamente las galaxias que son ricas en elementos ligeros como el hidrógeno y el helio.
Una pista en helio
El año pasado, la Colaboración Subaru, un grupo de científicos japoneses que trabajan en el telescopio Subaru, publicó datos sobre 10 galaxias muy distantes de la nuestra que están compuestas casi exclusivamente de hidrógeno y helio.
Usando una técnica que permite a los investigadores distinguir diferentes elementos entre sí en función de las longitudes de onda de la luz observada en el telescopio, los científicos de Subaru determinaron exactamente cuánto helio hay en cada una de estas 10 galaxias. Es importante destacar que encontraron menos helio de lo que predijo la teoría previamente aceptada.
Con este nuevo resultado, mis colaboradores y yo trabajamos hacia atrás para encontrar la cantidad de neutrinos y antineutrinos necesarios para producir la abundancia de helio encontrada en los datos. Recuerde su clase de matemáticas de noveno grado cuando se le pidió que resolviera la «X» en una ecuación. Lo que hizo mi equipo fue esencialmente la versión más sofisticada de esto, donde nuestra «X» era la cantidad de neutrinos o antineutrinos.
La teoría previamente aceptada predecía que debería haber habido el mismo número de neutrinos y antineutrinos en el universo primitivo. Sin embargo, cuando ajustamos esta teoría para darnos una predicción que coincidiera con el nuevo conjunto de datos, encontramos que la cantidad de neutrinos era mayor que la cantidad de antineutrinos.
¿Qué significa todo esto?
Este análisis de nuevos datos de galaxias ricas en helio tiene una consecuencia de gran alcance: puede usarse para explicar la asimetría entre materia y antimateria. Los datos de Subaru nos apuntan directamente a la fuente de este desequilibrio: los neutrinos.
En este estudio, mis colaboradores y yo demostramos que esta nueva medición de helio es consistente con que haya más neutrinos que antineutrinos en el universo primitivo. A través de procesos de física de partículas conocidos y probables, la asimetría en los neutrinos puede propagarse a una asimetría en toda la materia.
El resultado de nuestro estudio es un tipo común de resultado en el mundo de la física teórica. Básicamente, hemos descubierto una forma viable en la que se podría haber producido la asimetría entre materia y antimateria, pero eso no significa que definitivamente se haya producido de esa manera. El hecho de que los datos se ajusten a nuestra teoría es una indicación de que la teoría que hemos propuesto puede ser la correcta, pero ese hecho por sí solo no significa que lo sea.
Entonces, estos diminutos neutrinos son la clave para responder a la antigua pregunta: «¿Por qué existe algo?». Según esta nueva investigación, pueden serlo.
Anne-Katherine Burns, Doctora en Filosofía. Candidato en Física Teórica de Partículas, Universidad de California, Irvine
Este artículo se vuelve a publicar de La conversación bajo una licencia Creative Commons. leer el artículo original.
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