Paul Dirac sugirió la existencia del positrón en 1928. El positrón sería la antipartícula del electrón, es decir, una partícula idéntica, pero con carga positiva en vez de negativa. Hoy, gracias a los experimentos de los colisionadores de partículas en el CERN, sabemos que todas las partículas elementales tienen su antipartícula de carga opuesta. Estas parejas de partícula-antipartícula se crean a la vez y se destruyen cuando se encuentran, lo cual nos deja una pregunta: ¿Cómo es que en el Universo hay materia? Vamos a verlo.
Tras haber publicado en 1905 la Relatividad Especial, Einstein descubrió otra consecuencia de ésta: la equivalencia entre masa y energía. Este descubrimiento, publicado en un artículo de sólo 3 páginas posteriormente en ese mismo año, tiene unas implicaciones enormes. Significa que la masa y la energía son exactamente lo mismo y que la masa de un objeto equivale a una gran cantidad de energía, ya que la constante de proporcionalidad es la velocidad de la luz al cuadrado.
De esta forma, se ha observado que de fotones (o cuantos de energía) muy energéticos, pueden surgir partículas con masa, siempre en pares de partícula-antipartícula. De igual forma, cuando partícula y antipartícula se encuentran, se aniquilan liberando una cierta cantidad de energía que viajan en forma de fotones.
Las partículas y antipartículas se crean a la vez y se aniquilan cuando se encuentran liberando energía en forma de fotones
El Universo sólo estuvo lo suficientemente caliente como que sus fotones produjeran parejas de partícula y antipartículas durante los primeros 14 segundos de su historia. En esos 14 segundos se formaron todas las partículas que luego dieron lugar a protones, neutrones, núcleos, átomos, moléculas… Tras esos 14 segundos, la creación de parejas fue cada vez más improbable y las partículas y antipartículas se encontraban y aniquilaban entre sí liberando fotones. Sin embargo, un nucleón por cada 1000 millones de fotones sobrevivió, no encontró su pareja para aniquilarse.
De alguna forma, la creación de partículas y antipartículas es desigual
En algún momento durante esos 14 segundos la creación de partículas y antipartículas no fue simétrica, es decir, no se formaban la misma cantidad de uno que de otro, por eso, tras todas la aniquilaciones, sobró ese pequeño residuo de un nucleón por cada 1000 millones de fotones. Esto es lo que se llama Asimetría entre materia y antimateria. Explicar cómo y por qué se dio esa diferencia entre el número de partículas y antipartículas creadas es uno de los grandes problemas de la cosmología actual.
El quid de la cuestión radica en el concepto de simetría. Una simetría es la propiedad que hace que un sistema dado permanezca invariante bajo algún tipo de operaciones. Por ejemplo, una esfera perfecta, toda del mismo color y sin dibujos ni marcas tiene simetría esférica bajo las operaciones de rotación, ya que, si la giras en cualquier dirección, la verás exactamente igual que antes de girarla.
En física de partículas existen diferentes simetrías que conservan las propiedades de las partículas invariantes bajo a determinado tipo de operaciones. Las tres que más nos interesan aquí son:
- Conjugación de carga (C): cambiar una partícula por su antipartícula.
- Paridad (P): cambiarle el signo a las variables espaciales que describen la partícula.
- Inversión temporal (T): invertir el sentido del tiempo, como ver una escena marcha atrás.
- CP: es la combinación de la simetría de conjugación de carga y de la paridad.
A estas simetrías habría que añadir la conservación del número bariónico. Los bariones son partículas formadas por tres quarks, como el protón o el neutrón. Cada barión tiene asignado un número bariónico B=1. Es decir, un protón es un barión con B=1 y los tres quarks que lo forman tienen B=1/3.
El físico ruso Andrei Sájarov utilizó estas simetrías y la conservación del número bariónico para explicar el exceso de partículas frente a antipartículas en el universo y llamó a este proceso bariogénesis. Tenemos que imaginar el universo durante esos 14 segundos como agua hirviendo puesta al fuego. Cuando el agua hierve, se mezclarán burbujas o regiones de agua líquida con burbujas de vapor de agua. Dado que sigue calentándose puesta al fuego, las condiciones favorecen las zonas que son vapor de agua en detrimento de las zonas líquidas, por lo que al final, toda el agua pasará a estado gaseoso.
La bariogénesis tiene lugar durante una transición en la que el Universo estaba pasando de un estado con simetría en las interacciones electrodébiles a otro con simetría bajo las interacciones electromagnéticas. Es decir estaba pasando de un estado completamente simétrico a otro donde algunas de las simetrías se rompen. De esta forma, tendremos zonas simétricas y zonas menos simétricas. Las paredes entre unas zonas y otras se vieron alteradas por la ruptura de la simetría CP, y permitieron que pasasen los quarks desde las zonas simétricas a las zonas menos simétricas, pero a los antiquarks les pasaba todo lo contrario, se les favorecía el paso de las zonas menos simétricas a las simétricas. Como resultado, habría un exceso de quarks en las zonas menos simétricas y de antiquarks en las simétricas.
El desacoplamiento de la fuerza fuerte hace que el universo pase de un estado muy simétrico a otro menos simétrico
En las zonas simétricas se violaría la conservación del número bariónico. Esto ocurre mediante un tipo de proceso que se llama esfalerónico y cuyo resultado es que los procesos que aumentan el número de quarks dominan sobre los que disminuyen el número de quarks. Dado que en estas zonas había mayoría de antiquarks, al favorecer el aumento de quarks se favorece la aniquilación y por tanto, las zonas simétricas se van quedando vacías de partículas y desaparecen. Por otro lado, en las zonas menos simétricas estos procesos esfalerónicos no se producen porque no hay equilibrio térmico, por lo que el exceso de quarks que hay en ellas prevalece.
Al expandirse el Universo, con el descenso de temperatura, las zonas menos simétricas se ven favorecidas y terminan por ocupar todo el espacio. Es así como, durante la transición de la fase de simetría electrodébil a la fase de simetría electromagnética, los procesos de violación de la simetría CP selectivamente en algunas zonas provoca una acumulación de quarks en las zonas de simetría electromagnética y de antiquarks en las zonas de simetría electrodébil. También provoca la ruptura del equilibrio térmico, lo que provoca que los mecanismos esfalerónicos entren en acción únicamente en las zonas con mayoría de antiquarks, aumentando en ellas el número de quarks, lo que favorece la aniquilación de las parejas quark-antiquark hasta que las zonas de simetría electrodébil desaparecen y todo el Universo queda en simetría electromagnética, lleno de toda la energía (o fotones) que han provocado la aniquilación en las zonas de simetría electrodébil y conteniendo un puñado de quarks que han sobrevivido porque en sus zonas no había antiquarks con los que aniquilarse.
Las diferencias entre los procesos que tienen lugar en las zonas más y menos simétricas favorecen la supervivencia de más quarks que antiquarks
Este remanente de 1 nucleón por cada 1000 millones de fotones es lo que da lugar a toda la materia que el Universo contiene hoy en día.
Comentarios