He aquí por qué el universo tiene más materia que antimateria


Es uno de los mayores acertijos de la física. Todas las partículas que componen la materia que nos rodea, como electrones y protones, tienen versiones de antimateria que son casi idénticos, pero con propiedades reflejadas como la carga eléctrica opuesta. Cuando una antimateria y una partícula de materia se encuentran, se aniquilan en un destello de energía.

Si la antimateria y la materia son realmente idénticas pero copias reflejadas entre sí, deberían haberse producido en cantidades iguales en el Big Bang. El problema es que lo habría aniquilado todo. Pero hoy en día, casi no queda antimateria en el universo; aparece solo en algunas desintegraciones radiactivas y en una pequeña fracción de los rayos cósmicos. Entonces, ¿qué le pasó? Utilizando el Experimento LHCb en el CERN para estudiar la diferencia entre materia y antimateria, tenemos descubrió una nueva forma que esta diferencia puede aparecer.

La existencia de antimateria fue predicha por un físico Paul DiracLa ecuación que describe el movimiento de los electrones en 1928. Al principio, no estaba claro si esto era solo una peculiaridad matemática o una descripción de una partícula real. Pero en 1932 Carl Anderson descubierto un compañero de antimateria para el electrón, el positrón, mientras estudia los rayos cósmicos que llueven sobre la Tierra desde el espacio. Durante las siguientes décadas, los físicos descubrieron que todas las partículas de materia tienen compañeros de antimateria.

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Los científicos creen que en el estado muy caliente y denso poco después del Big Bang, debe haber habido procesos que dieron preferencia a la materia sobre la antimateria. Esto creó un pequeño excedente de materia y, a medida que el universo se enfrió, toda la antimateria fue destruida o aniquilada por una cantidad igual de materia, dejando un minúsculo excedente de materia. Y es este excedente el que constituye todo lo que vemos en el universo hoy.

No está claro exactamente qué procesos causaron el excedente, y los físicos han estado atentos durante décadas.

Asimetría conocida

El comportamiento de los quarks, que son los bloques de construcción fundamentales de la materia junto con los leptones, puede arrojar luz sobre la diferencia entre materia y antimateria. Quarks vienen en muchos tipos diferentes, o «sabores», conocidos como arriba, abajo, encanto, extraño, fondo y superior más seis anti-quarks correspondientes.

Los quarks up y down son los que forman los protones y neutrones en los núcleos de la materia ordinaria, y los otros quarks pueden producirse mediante procesos de alta energía, por ejemplo, mediante la colisión de partículas en aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

Las partículas que constan de un quark y un anti-quark se denominan mesones, y hay cuatro mesones neutros (B0S, B0, D0, y K0) que exhiben un comportamiento fascinante. Pueden convertirse espontáneamente en su pareja de antipartículas y luego regresar, un fenómeno que se observó por primera vez en 1960. Dado que son inestables, se “descompondrán”, se desmoronarán, en otras partículas más estables en algún momento durante su oscilación. . Esta decadencia ocurre de manera ligeramente diferente para los mesones en comparación con los antimesones, que combinado con la oscilación significa que la tasa de caída varía con el tiempo.

Las reglas para las oscilaciones y las desintegraciones vienen dadas por un marco teórico llamado Mecanismo de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). Predice que hay una diferencia en el comportamiento de la materia y la antimateria, pero una que es demasiado pequeña para generar el excedente de materia en el universo primitivo necesario para explicar la abundancia que vemos hoy.

Esto indica que hay algo que no entendemos y que estudiar este tema puede desafiar algunas de nuestras teorías más fundamentales en física.

¿Nueva física?

Nuestro resultado reciente del experimento LHCb es un estudio de neutral B0S mesones, observando sus desintegraciones en pares de mesones K cargados. El b0S Los mesones se crearon colisionando protones con otros protones en el Gran Colisionador de Hadrones, donde oscilaron en su anti-mesón y retrocedieron tres billones de veces por segundo. Las colisiones también crearon anti-B0S mesones que oscilan de la misma manera, dándonos muestras de mesones y antimesones que podrían compararse.

Contamos el número de desintegraciones de las dos muestras y comparamos los dos números para ver cómo variaba esta diferencia a medida que avanzaba la oscilación. Hubo una ligera diferencia, con más desintegraciones ocurriendo para uno de los B0S mesones. Y por primera vez para B0S mesones, observamos que la diferencia en la desintegración, o asimetría, variaba según la oscilación entre B0S mesón y anti-mesón.

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