La partícula que decidió la batalla entre la materia y la antimateria

En la historia del universo hay tres misterios estelares. Viajando hacia atrás en el tiempo, el más reciente es la emergencia de la conciencia humana. El segundo, la aparición de la vida a partir de elementos inertes, y el tercero, el gran estallido que lo originó todo. En los tres casos está lejos de conocerse cómo se produjo la transición entre lo anterior y lo presente. ¿Qué había antes del Big Bang?¿Cómo aparecieron trozos de materia capaces de reproducirse? ¿Cuándo empezaron los simios a fusionar sus cerebros para crear el lenguaje, la religión o la ciencia?

Por abrumadora que parezca la conquista de esas fortalezas inexpugnables para el intelecto, los científicos siguen buscando formas de acercarse. Y lo hacen con herramientas fascinantes y desvelando por el camino otros intrincados enigmas.

Una de esas incógnitas en las inmediaciones de un gran misterio es lo que sucedió justo después del Big Bang. Las teorías más aceptadas plantean que cuando el punto infinitamente pequeño y denso del que surgió el universo comenzó a inflarse todo lo que apareció fue energía. Esa energía se convirtió después en materia y en antimateria, dos tipos de partícula idénticos pero con carga eléctrica opuesta. Cada vez que uno de esos bloques de materia primigenia se tocaba con su opuesto se desintegraba dejando tras de sí un rastro de radiación. Si el equilibrio se hubiese mantenido, el cosmos sería un desierto radiactivo muy distinto del que hoy conocemos.

Si el equilibrio se hubiese mantenido, el cosmos sería un desierto radiactivo muy distinto del que hoy conocemos

Sin embargo, como resulta evidente a nuestro alrededor, no fue así. El cosmos está compuesto de estrellas, planetas y todo tipo de objetos hechos de lo que llamamos materia. Para llegar a esta situación tan conveniente para nosotros, algo debió suceder durante los instantes posteriores a la gran inflación que rompiese el equilibrio de partida. Es lo que en física se llama violación de la simetría de carga y paridad (CP). Esta simetría indica que las leyes de la física deberían ser iguales si se ven al revés en un espejo (paridad) y con toda la materia intercambiada con antimateria (carga).

Uno de los elementos que pudo ser clave en ese desequilibrio es el neutrino. Esta partícula fue propuesta a finales de la década de 1920 por el físico Wolfgang Pauli, que la necesitó para explicar la desaparición de cierta cantidad de energía cuando se desintegraban algunos núcleos atómicos. Para salvar el principio de conservación de energía, Pauli previó que debía existir una partícula sin carga eléctrica, con una masa ínfima y que casi no interaccionaría con la materia. Veintiséis años después, Frederik Reines y Clyde Cowan, junto a un reactor nuclear, detectaron por primera vez un neutrino.

Desde hace años, los científicos se preguntan si fue esta partícula fantasmagórica la que decantó el enfrentamiento entre la materia y la antimateria. Como descubrieron los ganadores del Nobel de Física de 2015, el japonés Takaaki Kajita y el canadiense Arthur McDonald, los neutrinos oscilan, cambiando de sabor, y transmutándose en una de las tres especies de neutrino que se conocen. Por lo que se refiere a la violación de la simetría de la materia tras el Big Bang, el interés se centra en la diferencia en las probabilidades de oscilación de neutrinos y antineutrinos.

En Japón, un grupo internacional de científicos está tratando de medir la distinta probabilidad de que aparezcan neutrinos o antineutrinos con el experimento T2K, por las siglas de de Tokai a Kamioka, los dos puntos entre los que viajan los neutrinos. El experimento produce un haz de neutrinos muónicos (una de las tres clases que se conocen) en el acelerador Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) ubicado en el pueblo de Tokai, en la costa oriental de Japón. El haz de neutrinos se crea haciendo colisionar protones en el acelerador J-PARC sobre un blanco cilíndrico que a su vez produce un intenso haz de partículas secundarias que se enfoca y filtra mediante lentes magnéticas. Éste haz de partículas se desintegra creando un intenso flujo de neutrinos o antineutrinos, dependiendo del filtrado realizado por las lentes magnéticas. El haz neutrinos o antineutrinos se monitoriza a 280 metros del punto de producción y se dirige hacia el gigantesco detector subterráneo Super-Kamiokande situado en Kamioka, cerca de la costa oeste de Japón, a 295 kilómetros de distancia de Tokai. Durante el viaje, una fracción de los neutrinos muónicos oscila y se convierte en neutrinos electrónicos o neutrinos tau.

Los últimos datos recogidos por T2K sugieren que, como se sospechaba, los neutrinos pudieron desempeñar un papel clave en la batalla entre materia y antimateria. La aparición de neutrinos electrónicos es significativamente mayor de la que se esperaría si se conservara la simetría. En contraste, el conjunto de datos de antineutrinos, aunque todavía demasiado pequeño para hacer afirmaciones contundentes, muestra una menor aparición de antineutrinos electrónicos que la esperada si se conservase la simetría. T2K observa 89 neutrinos electrónicos mientras que se esperan aproximadamente 67, y 7 antineutrinos de electrones cuando se esperan aproximadamente 9.

Por abrumadora que parezca la conquista de esas fortalezas inexpugnables para el intelecto, los científicos siguen buscando formas de acercarse

Federico Sánchez, investigador del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) de Barcelona y miembro de la colaboración T2K, explica que sus datos indican “que se está violando CP”, pero matiza que la probabilidad es del 95%, algo insuficiente para que un físico pueda afirmar con rotundidad que algo es cierto. “Vamos a seguir tomando medidas hasta 2026 para decir con más seguridad que la violación de CP no es cero y a partir de ahí ver la medida exacta”, continúa.

Aunque los resultados muestren finalmente ese comportamiento distinto entre neutrinos y antineutrinos, Sánchez explica que se necesitarán nuevos modelos teóricos y más mecanismos para explicar completamente cómo se rompió la simetría inicial tras el Big Bang. Las aproximaciones a las grandes verdades nunca son ni fáciles ni rápidas.