¿Resuelto el problema de la antimateria?

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Cuando una partícula de materia entra en contacto con una de antimateria, ambas se aniquilan por completo

Investigadores descubren una extraña partícula subatómica, el mesón Bs, que se comporta de forma única y puede explicar uno de los más grandes misterios del Universo

Un grupo de investigadores de la Universidad de Syracusa acaba de anunciar una serie de importantes hallazgos sobre una extraña partícula subatómica, el mesón Bs, que podrían explicar por qué el Universo contiene mucha más materia que antimateria.

La cuestión de la "antimateria perdida" ha intrigado a los Físicos durante décadas. Según predicen los modelos vigentes, durante el Big Bang tuvo por fuerza que producirse una cantidad igual de materia que de antimateria. Pero en la actualidad todo lo que vemos a nuestro alrededor está hecho de materia. ¿Dónde está, pues, la antimateria que falta?

Igual que la materia, también la antimateria está constituida por átomos y partículas. De hecho, a cada partícula de materia que existe le corresponde su propia antipartícula, que es exactamente igual a ella excepto por la carga eléctrica, que es la opuesta. Por ejemplo, la antipartícula del electrón es el positrón, la del protón se llama antiprotón, y así sucesivamente. 

Aniquilación espontánea
Se da la circunstancia de que, cuando una partícula de materia entra en contacto con una de antimateria, ambas se aniquilan por completo en un súbito y luminoso fogonazo. Si un astronauta pusiera el pie sobre un hipotético planeta hecho de antimateria, todos sus átomos se desintegrarían al instante, al mismo tiempo que una cantidad equivalente de "antiátomos" del planeta haría lo propio.

Sin embargo, parece poco probable que existan planetas, estrellas o incluso galaxias enteras hechas de antimateria. Si así fuera, seríamos capaces de ver cómo ambas se aniquilan en la frontera entre la antimateria y la materia que las rodea. Y nadie ha visto jamás señal alguna de que algo parecido esté ocurriendo.

Sin embargo, en septiembre de 2006 un equipo de físicos del Fermilab descubrieron en su laboratorio un tipo de partícula, el mesón Bs, que hasta ese momento había sido solo una posibilidad teórica. Se da la circunstancia de que el mesón Bs tiene la extraordinaria capacidad de oscilar entre una partícua de materia y una de antimateria. Es decir, que puede ser, alternativamente, materia y antimateria.

El extraordinario hallazgo prometía abrir las puertas de una nueva física hasta ahora desconocida. Por eso, comprender mejor las características de este extraño mesón se ha convertido en uno de los principales objetivos del experimento LHCb, en el CERN, el laboratorio de Física más importante del mundo, con sede en Ginebra. Los físicos del LHCb llevan a cabo complicados experimentos que intentan aclarar lo que sucedió durante los primeros instantes del Big Bang, y cómo la materia que hoy nos resulta tan común logró crearse y extenderse por todo el Universo.

Fue precisamente allí, en un taller celebrado en el CERN, donde el profesor Sheldon Stone acaba de anunciar sus hallazgos. "Muchos experimentos internacionales -afirma el científico- están interesados en el mesón Bs porque es una partícula que puede oscilar entre materia y antimateria. Comprender sus propiedades podría explicar la violación de la simetría CP, que se refiere a la necesidad de que exista un equilibrio entre materia y antimateria en el Universo y cuyo aparente incumplimiento es uno de los mayores desafíos de la física de partículas". 

Quark y antiquark
Los investigadores creen que, hace unos 14.000 millones de años, la energía del Big Bang se fue transformando en cantidades idénticas de materia y de antimateria. Pero a medida que el Universo se enfriaba y se expandía, su composición fue cambiando. Tras el Big Bang, toda la antimateria desapareció dejando tras de sí a la materia ordinaria, a partir de la cual se fueron creando las primeras estrellas y galaxias, y todo lo demás hasta llegar a la Tierra y a las formas de vida que hay en ella.

"Algo tuvo que ocurrir -afirma Stone- para causar esta violación de la simetría CP y, por consiguiente, formar el Universo que podemos ver en la actualidad".

Stone está convencido de que parte de la respuesta está, precisamente, en el mesón Bs, que está formado por un antiquark y un quark extraño (una de las familias de los quarks) a los que mantiene unidos gracias a la interacción fuerte. Como se sabe, los quark son los componentes fundamentales de otras partículas, como protones y neutrones, dentro del núcleo atómico.

Stone y su equipo han estudiado a fondo los resultados de dos experimentos llevados a cabo en 2009 en el Fermilab, en Chicago, donde se encuentra otro de los aceleradores de partículas más grandes del mundo.

"Los resultados de esos experimentos - explica Stone- mostraban que las oscilaciones materia-antimateria del mesón Bs se desviaban de lo predicho por el Modelo Estandar de la Física, pero las propias incertidumbres alrededor de esos resultados eran demasiado altas como para llegar a conclusiones sólidas".

Así que el investigador, junto a sus colegas, no tuvo más remedio que desarrollar por sí mismo una nueva técnica que le permitiera tomar medidas mucho más precisas del mesón Bs. Y sus nuevos resultados muestran que las oscilaciones del mesón Bs entre materia y antimateria son, exactamente, las que predice el Modelo Estandar.

Stone afirma que las nuevas mediciones restringen enormemente los "reinos" en los que esa nueva física podría esconderse, lo que obligará a los investigadors a ampliar sus búsquedas en otras áreas. "Todo el mundo sabe que existe una nueva física -dice Stone-. Sólo necesitamos llevar a cabo análisis más sensibles para lograr olfatearla".




Fuentes: ABC.es

Los científicos miden el bosón de Higgs

AFP
Momento de la colisión entre partículas del LHC

El 4 de julio de 2012, un grupo de físicos del Centro Europeo de Investigaciones Nucleares, el CERN, situado en Ginebra, anunció al mundo el hallazgo de una partícula fundamental predicha 50 años antes por el británico Peter Higgs, junto a, entre otros, François Englert y Robert Brout. El anuncio del descubrimiento dio la vuelta al mundo. Los periódicos llevaban la noticia en sus portadas sin que muchos de sus lectores supieran a ciencia cierta qué diablos era el bosón de Higgs.

Se trataba de la partícula fundamental por excelencia, aquella que no podía ser descompuesta y en la que se basa todo lo que existe en la naturaleza. El Higgs no era meramente algo sólido como un átomo, era una partícula de fuerza, algo capaz de provocar reacciones en el resto de partículas. Al igual que los fotones -otro tipo de bosón- son responsables de la luz, el Higgs era responsable de que las partículas tuvieran masa. Y más importante, su existencia confirmaba casi absolutamente el Modelo Estándar, el juego de reglas físicas por las que se rige toda la materia que compone el universo. «Encuentro muy alentador que dos años después del anuncio del descubrimiento la gente todavía pregunte por él, qué significa, qué influencia tiene... es fantástico ver que el público no olvida tan rápidamente», reconoce a ABC Rolf-Dieter Heuer, el Director General del CERN.

Pero, una vez sabemos que esta partícula fundamental existe, ¿qué ocurre? ¿a qué se dedican ahora esos científicos? Algunos de ellos asisten estos días en Valencia a ICHEP, la Conferencia Internacional de Física de Altas Energías, que por primera vez tiene lugar en España.

Propiedades del bosón

«Tras el anuncio del descubrimiento del bosón de Higgs, el foco se ha movido hacia la medida de sus propiedades», dice Matteo Sani, investigador en la Universidad de California que participó en el descubrimiento de la partícula, «la masa del Higgs es un parámetro fundamental no predicho por el Modelo Estándar, cuyas predicciones estarán totalmente establecidas una vez la masa haya sido medida».

En estos momentos, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) lleva meses en una fase de parada técnica y puesta a punto, y su actividad se reanudará a comienzos de 2015. Los dos experimentos paralelos que descubrieron el bosón de Higgs, llamados ATLAS y CMS se reanudarán en esa fecha.

David Charlton, físico británico y portavoz del ATLAS, comenta que este parón «está bien, nos dará tiempo a completar un montón de estudios de precisión. Ahora es cuando estamos viendo todos los frutos de los años de trabajo en el LHC, y están apareciendo muchos, muchos resultados». A bote pronto, Charlton diría que en los últimos seis meses ATLAS ha publicado unos 50 artículos científicos.

El físico de particulas italiano Tiziano Camporesi, representante del CMS, reconoce que «era una prioridad medir el Higgs tan bien como sea posible y extraer el máximo de información. Como resultado de estos esfuerzos, ahora tenemos la medida más precisa de la masa». La masa de partículas fundamentales no se mide, por supuesto, en gramos, sino que se expresa como una medida de energía. Para orientarse en este mundo infinitesimal, sepa el lector que en un milímetro caben aproximadamente unos mil millones de átomos, en el centro de cada átomo hay protones que ocupan una diez milésima parte de la superficie. Y cada uno de estos tiene cien veces más masa que un bosón de Higgs.

Pero estos físicos no sólo están detrás de determinar la masa, sino también la anchura exacta de este campo de fuerza para el que el adjetivo «minúsculo» ya es una enorme exageración. ¿Cómo hacerlo? Como de costumbre. Los físicos teóricos proponen algo y los experimentalistas tratan de demostrarlo. «Medir la anchura del Higgs partió de una idea sobre la forma de ver el efecto de la anchura, una idea teórica de hace dos años», afirma Camporesi. «Explicado en términos simples -añade-, si tomabas las mediciones aquí y allí y las interpretabas, básicamente podíamos obtener unos límites en la anchura».

«Ahora comienza lo difícil»

«En este momento, conocemos básicamente un 1% de todos los datos» recogidos hasta ahora con el LHC, dice Camporesi, para quien «hasta que llegas al 10% del total, puedes hacer muchos descubrimientos que nunca antes han surgido, pero lo importante del 90% restante es que el experimento pasan de ser ‘experimentos de descubrir’ para convertirse en experimentos de medir». Desde que el bosón fue descubierto, «hemos sacado 350 estudios en revistas científicas que están contribuyendo a incrementar el conocimiento de la humanidad sobre cómo funciona la naturaleza», añade Camporesi. «No todos son tan atractivos como el descubrimiento de una nueva partícula , ¡pero son importantes!»

Tras el anuncio del descubrimiento del bosón de Higgs, un hito científico que requirió años, una inversión de miles de millones y cientos de científicos implicados tanto en el CERN como en el Fermilab norteamericano, Heuer dijo a sus científicos «esto que habéis logrado era lo fácil, ahora comienza lo verdaderamente difícil».

Por supuesto, dos años después todavía mucha gente se pregunta para qué sirve haber descubierto esta partícula fundamental. «Es la pregunta que más escuchamos», comenta una de las responsables de prensa del CERN. Como en toda investigación básica, las aplicaciones que surgen no son nunca inmediatas, pero si de algo puede presumir este enorme centro de investigación en física de partículas es de relevancia. Por ejemplo, la de ese artículo de 1989 que un entonces joven científico del CERN llamado Tim Berners-Lee bautizó con el anodino título: «Tratamiento de información: una propuesta». Meses después, la propuesta dio lugar a internet, tal y como hoy lo conocemos.

El mundo subatómico

Ernest Rutherford descubrió a principios del siglo XX que una gran cantidad de energía aplicada a unos átomos podía lograr su desintegración en partículas aún más pequeñas. Un principio parecido se aplica desde entonces, sólo que, a menor tamaño de la siguiente partícula, más energía se requiere para descubrirla.

Átomo
Hasta comienzos del siglo XX, se pensaba que el átomo -indivisible en griego- era la partícula más fundamental de la materia. Su tamaño es de entre 3 y 30 picómetros (hay mil millones de picómetros en un milímetro). Ernest Rutherford y otros descubrieron la existencia de partículas más pequeñas: el protón, el neutrón y el electrón.

Protón
La física moderna clasifica la materia principalmente en dos tipos, hadrones (más pesados, como protones o neutrones) y leptones (más ligeros, como electrones o neutrinos). El protón es el hadrón más estable, y junto al neutrón, es parte fundamental del núcleo del átomo. Su tamaño es de entre 1.6 y 1.7 femtómetros (1 picómetro son 1.000 fentómetros).

Quark
Como el átomo, los protones también están formados por tres partículas más pequeñas, llamadas quarks. Los quarks son fermiones, una de los dos tipos de partículas elementales de la naturaleza, es decir, no se conoce nada por debajo de ellas. La otra partícula fundamental es el bosón. El fermión es el ladrillo, el bosón el cemento.

Bosón
Que una partícula sea pesada, como el protón, o ligera, como el electrón, depende de las fuerzas de unión entre sus partes. Este tipo de fuerzas se llama bosón. Los fotones, responsables del electromagnetismo, son bosones, igual que los gravitones, responsables de la gravedad. El último bosón en ser hallado fue el Higgs, responsable de que la materia tenga masa. Aunque hablar de tamaño no es preciso, ya que es una fuerza, su campo de acción equivale a la centésima parte de un protón.

Fuentes: ABC.es