<pre>Experimento de antimateria revela 'asimetría' oculta en el universo

Dentro de una caverna, enterrada debajo de una montaña en Japón, hay un tanque gigante de agua que ha estado muy quieto durante muchos años. Y generalmente no pasa nada.

Sin embargo, de vez en cuando, un anillo de luz parpadea alrededor de los bordes del tanque, la firma de un electrón o una partícula similar, pero más pesada, conocida como un muón que atraviesa el agua. Esos electrones y muones son restos de pequeñas partículas fantasmales conocidas como neutrinos que se estrelló contra las moléculas de agua del tanque en una rara interacción.

Durante años, los físicos de la Colaboración T2K han contado esos anillos de luz, el único signo de un poderoso haz de neutrinos disparado a través del la corteza terrestre a la caverna desde otra instalación subterránea a 183 millas (295 kilómetros) de distancia. A medida que los físicos de T2K cuentan los anillos, separan los claramente definidos, producidos por muones más pesados ​​que se cargan a través del agua, de los anillos difusos, que son las firmas de electrones livianos.

Con el tiempo, los físicos han notado una discrepancia en su recuento. Ellos creen que esa discrepancia podría ayudar a explicar la existencia de importar En el universo.

La materia y la antimateria deben reflejarse entre sí, pero no

Justo después del Big Bang, Cantidades iguales de materia y antimateria existían en el universo dos sustancias que se reflejan y se destruyen si alguna vez se tocan. El gemelo antimateria del hidrógeno es antihidrógeno. El gemelo antimateria de un electrón es el positrón cargado positivamente. Los muones tienen antimuones y los neutrinos tienen antineutrinos, etc.

La antimateria y la materia son tan similares, de hecho, que es un misterio por qué no se cancelaron entre sí al principio, sin dejar nada más que un estallido de luz brillante. Eso sugiere que debe haber algunas diferencias fundamentales entre las partículas, asimetrías que explicarían por qué la materia dominó la antimateria. Y ya hemos encontrado una de esas asimetrías.

“Uno de ellos está en los quarks, las partículas que forman protones y neutrones”, dijo Mark Hartz, físico de la Universidad de Pittsburgh y miembro de la Colaboración T2K.

En 1964, los físicos descubrieron diferencias más pequeñas entre la forma en que los quarks y los antiquarks, las partículas subatómicas que forman protones, neutrones y otras partículas, interactúan a través de la fuerza débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales junto con la fuerza fuerte, electromagnetismo y gravedad. Pero la asimetría del quark es demasiado leve para explicar la existencia del universo. Tiene que haber alguna otra discrepancia por ahí.

Hay teorías sobre otra discrepancia, que involucra una clase de partículas llamadas leptones, dijo Silvia Pascoli, física de la Universidad de Durham en Inglaterra que no participó en la Colaboración T2K.

Los leptones son partículas como neutrinos, muones y electrones. Y si hubiera una asimetría entre los leptones y sus homólogos de antimateria, le dijo a Live Science, eso podría llevar con el tiempo no solo a un exceso de leptones de materia sino a bariones de materia, la clase de partículas que forman la mayor parte de un masa del átomo.

La colaboración T2K estudia ese tanque de agua en busca de evidencia de esa asimetría de leptones, que los físicos creen que se volvería visible cuando los neutrinos “oscilaran” de un sabor a otro.

Los neutrinos podrían tener la llave

Hay tres tipos de neutrinos (que conocemos): electrones, muones y tau. Y cada uno de esos sabores tiene su propio antineutrino. Y todas esas partículas, neutrinos y antineutrinos, oscilan, lo que significa que cambian de un sabor a otro. Un neutrino muón puede convertirse en un neutrino tau o un neutrino electrónico. Un antineutrino muón puede oscilar en tau o antineutrinos electrónicos

Sin embargo, esas oscilaciones llevan tiempo. Es por eso que la colaboración T2K separó su generador de haz de neutrinos y su tanque de agua, conocido como el detector Super Kamiokande, por cientos de millas. Eso le da a los neutrinos muones que el haz produce tiempo a medida que viajan para oscilar en neutrinos electrónicos, la oscilación que estudia la colaboración.

Sin embargo, incluso cuando eso sucede, los neutrinos electrónicos son difíciles de detectar. Solo en raras ocasiones un neutrino electrónico que pasa a través de Super Kamiokande choca contra una molécula de agua y se convierte en un electrón con su anillo característico de luz tenue y difusa.

Aun así, dijo Hartz, con años de esfuerzo, disparando su haz de neutrinos en ráfagas cortas tras ráfagas cortas, los detectores de fotones sumergidos de Super Kamiokande ahora han visto cientos de oscilaciones en los modos de neutrinos y antineutrinos del haz, lo suficiente como para sacar algunas conclusiones reales.

En un artículo publicado hoy (15 de abril) en la revista Naturaleza, la colaboración informó con un 95% de confianza de una discrepancia entre los haces de neutrinos y antineutrinos, una fuerte evidencia de que parte de la asimetría de materia y antimateria proviene de los neutrinos.

La información aquí es limitada, dijo Hartz. Todo lo que la colaboración midió directamente es una asimetría entre los comportamientos de los neutrinos débiles y de baja energía. Para comprender completamente la asimetría y cómo podría haber dado forma al universo, dijo, los teóricos tendrán que tomar sus datos y extrapolarlos a neutrinos de mayor energía y comprender sus implicaciones para otros leptones.

En cuanto a la colaboración T2K, dijo, el siguiente paso es recopilar muchos más datos y aumentar el nivel de confianza de su resultado por encima del 95%. Otros esfuerzos relacionados para construir un “Hyper Kamiokande” más grande en esa caverna japonesa, y un experimento de física relacionado con los EE. UU. Conocido como el Experimento de Neutrinos Subterráneos Profundos (DUNE), también podrían acelerar el ritmo de la investigación.

Pero este resultado ha abierto una primera grieta en una nueva puerta que podría ayudar a explicar esta asimetría desde el principio de los tiempos.

Publicado originalmente en Ciencia viva.

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