Por qué nuestro universo gira con más materia que su extraña antimateria, y por qué existimos, es uno de los acertijos más desconcertantes de la física moderna.
De alguna manera, cuando el universo era increíblemente joven, casi toda la antimateria desapareció, dejando solo las cosas normales. Los teóricos han perseguido durante mucho tiempo la explicación siempre evasiva, y más importante, una forma de probar esa explicación con experimentos.
Ahora, un trío de teóricos ha propuesto que un trío de partículas llamadas bosones de Higgs podría ser responsable del misterioso acto de desaparición de la antimateria en el universo. Y piensan que saben cómo encontrar a los presuntos culpables.
El caso de la antimateria desaparecida
En casi todas las interacciones entre partículas subatómicas, la antimateria (que es idéntica a la materia normal pero con carga opuesta) y la materia normal se producen en igual medida. Parece ser una simetría fundamental del universo. Y, sin embargo, cuando salimos y miramos ese mismo universo, apenas vemos antimateria. Por lo que los físicos pueden decir, por cada partícula de antimateria que aún permanece, hay alrededor de mil millones de partículas de materia normal, en todo el cosmos.
Este misterio tiene muchos nombres, como el problema de asimetría de la materia y el problema de asimetría de bariones; independientemente de su nombre, tiene físicos perplejos. A partir de ahora, nadie ha sido capaz de proporcionar una explicación coherente y consistente para el dominio de la materia sobre la antimateria, y dado que es tarea de los físicos explicar cómo funciona la naturaleza, está empezando a ser irritante.
Sin embargo, la naturaleza dejó algunas pistas por ahí para que las resolvamos. Por ejemplo, no hay evidencia de mucha antimateria en el llamado fondo cósmico de microondas: el calor que queda del Big Bang, el nacimiento del universo. Eso sugiere que la travesura ocurrió en el universo muy temprano. Y el universo primitivo era un lugar bastante loco, con todo tipo de física complicada y poco comprendida. Entonces, si la materia y la antimateria se van a dividir, es un buen momento para hacerlo.
Culpar a los Higgs
De hecho, el mejor momento para que la antimateria desaparezca es durante la breve pero tumultuosa época en nuestro universo cuando las fuerzas de la naturaleza se separaron a medida que el cosmos se enfriaba.
A altas energías (como las que se encuentran dentro de un colisionador de partículas), la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil combinan sus poderes para formar una nueva fuerza: electrodébil. Sin embargo, una vez que las cosas se enfrían y vuelven a las energías normales de todos los días, la corriente eléctrica se divide en las dos fuerzas familiares.
A energías aún más altas, como las que se encuentran en los primeros momentos del Big Bang, creemos que la fuerza nuclear fuerte se fusiona con el electrodébil, y a energías aún más altas, la gravedad une a la fiesta en una sola fuerza unificada. Pero aún no hemos descubierto cómo la gravedad entra en el juego todavía.
El bosón de Higgs, propuesto para existir en la década de 1960 pero no descubierto hasta 2012 dentro del Gran Colisionador de Hadrones, hace el trabajo de dividir la fuerza electromagnética de la fuerza nuclear débil. Los físicos están bastante seguros de que la división materia-antimateria se produjo antes de que las cuatro fuerzas de la naturaleza cayeran en su lugar como sus propias entidades; eso es porque tenemos una comprensión bastante clara de la física del universo después de la división, y agregar demasiada antimateria en épocas posteriores viola las observaciones del fondo cósmico de microondas).
Como tal, tal vez el bosón de Higgs juega un papel.
Pero el Higgs por sí solo no puede cortarlo; No existe un mecanismo conocido que utilice solo el Higgs para causar un desequilibrio entre la materia y la antimateria.
Afortunadamente, la historia del Higgs puede no haber terminado. Los físicos han encontrado un solo bosón de Higgs en experimentos de colisionadores, con una masa de alrededor de 125 mil millones de electronvoltios, o GeV, como referencia, un protón pesa alrededor de 1 GeV.
Resulta que el Higgs puede no estar solo.
Es completamente posible que haya más bosones de Higgs flotando que sean más masivos de lo que podemos detectar actualmente en nuestros experimentos. Hoy en día, esos Higgs más pesados, si existen, no harían mucho, sin participar realmente en ninguna física a la que podamos acceder con nuestros colisionadores. Simplemente no tenemos suficiente energía para "activarlos". Pero en los primeros días del universo, cuando las energías eran mucho, mucho más altas, el otro Higgs podría haberse activado, y esos Higgs podrían haber causado un desequilibrio en ciertas interacciones de partículas fundamentales, lo que condujo a la asimetría moderna entre la materia y la antimateria.
Resolviendo el misterio
En un reciente artículo publicado en línea en la revista de preimpresión arXiv, tres físicos propusieron una solución potencial interesante: tal vez, tres bosones de Higgs (apodados la "Troika de Higgs") jugaron un juego de papa caliente en el universo temprano, generando una avalancha de materia normal. . Cuando la materia toca la antimateria - Poof - los dos se aniquilan y desaparecen.
Y así, la mayor parte de esa corriente de materia aniquilaría la antimateria y la inundaría casi por completo en un torrente de radiación. En este escenario, quedaría suficiente materia normal para conducir al universo actual que conocemos y amamos.
Para que esto funcione, los teóricos proponen que el trío incluye una partícula de Higgs conocida y dos novatos, y cada uno de estos dúos tiene una masa de alrededor de 1,000 GeV. Este número es puramente arbitrario, pero fue elegido específicamente para hacer que este hipotético Higgs sea potencialmente detectable con la próxima generación de colisionadores de partículas. No sirve de nada predecir la existencia de una partícula que nunca se puede detectar.
Los físicos tienen entonces un desafío. Cualquiera que sea el mecanismo que causa la asimetría tiene que darle a la materia una ventaja sobre la antimateria en un factor de mil millones a uno. Y, tiene una ventana de tiempo muy corta en el universo primitivo para hacer lo suyo; Una vez que las fuerzas se dividen, el juego termina y la física, como la conocemos, queda bloqueada en su lugar. Y este mecanismo, incluidos los dos nuevos Higgs, debe ser comprobable.
La respuesta corta: pudieron hacerlo. Es comprensible que sea un proceso muy complicado, pero la historia general (y teórica) es así: los dos nuevos Higgs se descomponen en lluvias de partículas a tasas ligeramente diferentes y con preferencias ligeramente diferentes por la materia sobre la antimateria. Estas diferencias se acumulan a lo largo del tiempo, y cuando la fuerza de la fuga eléctrica se divide, hay una diferencia suficiente en las poblaciones de partículas de materia-antimateria "incorporadas" en el universo que la materia normal termina dominando sobre la antimateria.
Claro, esto resuelve el problema de la asimetría de bariones, pero inmediatamente lleva a la pregunta de qué está haciendo la naturaleza con tantos bosones de Higgs. Pero tomaremos las cosas paso a paso.
