El LHCb del CERN observa por primera vez la asimetría materia-antimateria en bariones

En el Big Bang, la explosión que formó el universo primigenio, materia y antimateria fueron creadas en la misma proporción. Sin embargo, todas las observaciones realizadas muestran que nuestro universo actual solo contiene materia (los restos de antimateria observados son totalmente despreciables). Tras el Big Bang, materia y antimateria se aniquilaron mutuamente, dando lugar a radiación, hasta que la antimateria se agotó. Afortunadamente, quedó un pequeñísimo exceso de materia que ha dado lugar al universo en el que vivimos, donde apenas observamos una partícula de materia (protones, neutrones, electrones) por cada mil millones de partículas de radiación (fotones). Nuestra propia existencia es debida a este insignificante exceso de materia, pero ¿cómo se produjo?  

Las leyes físicas del electromagnetismo, la interacción fuerte (nuclear) y la gravitación son idénticas para las partículas de materia y antimateria. Solamente las distingue la interacción débil. Sin embargo, para poder explicar la asimetría observada entre materia y antimateria hace falta también que las leyes físicas cambien al efectuar una "transformación CP" (inversión de cargas más paridad): un universo de antimateria observado a través de un espejo debe ser distinguible del universo de materia. Aunque la teoría actual de las interacciones fundamentales (el Modelo Estándar) satisface esta condición, sabemos que lo hace de forma insuficiente. Por tanto, la asimetría materia-antimateria tiene su origen en alguna interacción adicional desconocida que no es simétrica bajo la transformación CP. De ahí el enorme interés en buscar experimentalmente violaciones de la simetría CP.  

Las violaciones de la simetría CP medidas en el laboratorio encajan con las predicciones del Modelo Estándar, pero, hasta ahora, solamente se habían observado en desintegraciones de mesones, partículas formadas por un quark y un antiquark. Sin embargo, la materia ordinaria está formada por partículas compuestas de tres quarks, llamadas bariones (protones y neutrones), y por electrones. La importancia de los resultados anunciados por el experimento LHCb radica en que es la primera vez que se observa una violación de CP en bariones. Concretamente, se ha observado una diferencia significativa entre las desintegraciones del barión Lambda_b y su correspondiente antibarión. La partícula Lambda_b (un estado "b d u") es como un neutrón ("d d u") al que se le ha cambiado un quark ligero "d" por un quark pesado "b". El hecho de que la primera observación se haya realizado en un barión pesado está de acuerdo con lo esperado en el Modelo Estándar, pero es todavía muy pronto para sacar conclusiones.  

Esperamos que a esta interesante medida le sigan otras observaciones de fenómenos con violación de CP, proporcionándonos valiosa información sobre física desconocida más allá del Modelo Estándar. 

La observación por primera vez de una asimetría entre materia y antimateria en bariones por la colaboración LHCb en el CERN es un hallazgo fundamental. Esta asimetría se había encontrado ya en otro tipo de partículas, llamadas mesones, que están compuestas por dos quarks. El marco teórico actual que describe las partículas y sus interacciones, llamado Modelo Estándar, predice que dicha asimetría debe observarse también en bariones, compuestos por tres quarks. Sin embargo, no se había descubierto hasta ahora. Se trata, por tanto, de un resultado pionero, que confirma nuestra teoría sobre las leyes fundamentales de la naturaleza y además representa un primer paso para realizar nuevas medidas experimentales en el futuro, aún más precisas, que nos pueden ayudar a desvelar nueva física.      

Este descubrimiento, además, tiene implicaciones a gran escala. Nuestro universo inicialmente contenía materia y antimateria a partes iguales, pero en su evolución solo han quedado galaxias, estrellas, planetas, etc., constituidos por materia. Así, es posible que la asimetría materia-antimateria en las interacciones de partículas subatómicas como los bariones sea la responsable de la asimetría materia-antimateria de todo el universo.

¿El estudio es de buena calidad? 

“Sí, es un estudio de buena calidad. Se ha llevado a cabo en el experimento LHCb, que es uno de los cuatro experimentos del gran colisionador LHC del CERN, y que está optimizado  
para el estudio de la física de sabor, es decir, de los procesos en los que se transforma un tipo de quark en otro. El mayor interés de estos procesos es que pueden tener la clave de por qué el universo está hecho de materia y no de antimateria”. 
 
¿Estas observaciones suponen un hito en la física de partículas? 
 
“Es la primera vez que se observa una asimetría en el comportamiento de un tipo de barión (formado, como el neutrón, por tres quarks, pero sustituyendo un quark d por un quark pesado b) y su correspondiente antipartícula. El Modelo Estándar predice este fenómeno, que se ha medido anteriormente en muchas partículas mesónicas (formadas por un quark y un antiquark), pero, hasta ahora, no en bariones”. 
 
¿Qué implicaciones puede tener este hallazgo (en esta o en otras áreas)? 
 
“Es muy interesante estudiar en qué medida el Modelo Estándar puede predecir cuantitativamente la asimetría observada. Este cálculo es muy complejo porque involucra las interacciones fuertes y actualmente no sabemos hacer estos cálculos con la precisión suficiente. Contrastar el resultado experimental con la teoría es fundamental para establecer si hay o no efectos más allá del Modelo Estándar que puedan estar contribuyendo a este proceso. Sabemos que la asimetría entre materia y antimateria en el Modelo Estándar no es suficiente para explicar el universo, así que dichos efectos son justamente lo que estamos buscando”. 

¿El estudio es de buena calidad?  

“Sí, desde luego, está avalado por la colaboración LHCb y en una muestra de datos altamente significativa estadísticamente hablando y extensivamente estudiada (datos del run 1 y run 2, comprendidos entre los años 2011, 2012 y 2015-2018). No en vano, los datos así como el código se van a poner disponibles para el público en general como parte de la política de Open Data del CERN”.  

¿Estas observaciones suponen un hito en la física de partículas?  

“Sí, pues, hasta ahora, estas asimetrías predichas en el Modelo Estándar solo habían sido observadas en muestras de mesones (compuestos por dos quarks) y no en bariones (compuestos por tres quarks), siendo estos últimos los presentes en la materia convencional que compone el universo, el cuerpo humano... Cualquier objeto en la Tierra está hecho de bariones (protones y neutrones)”.  

¿Qué implicaciones puede tener este hallazgo (en esta o en otras áreas)?  

“Creo que sienta un pasito más en el largo camino de la ciencia, en este caso en particular, pues era un resultado largamente buscado y esperado, con una precisión muy alta. Entender por qué estamos hechos de materia y no de antimateria (protones positivos en lugar de antiprotones negativos, por ejemplo) es una de las piezas clave en el entendimiento de nuestro universo”. 

¿Qué limitaciones tiene?  

“Aparte de la incertidumbre de la medida, que, aunque es baja por ser muy precisa (la incertidumbre sistemática combinada es tan baja como el 0,10 %), siempre puede ser mejorada con más estadística u otras técnicas de análisis, el resultado se reduce a un único tipo de barión (de tipo b) y su antipartícula, y en un canal de desintegración dado (protón, kaón y dos piones)”.