Materia - Antimateria

Mientras los físicos experimentales aplicaban delicados sistemas de detección a grandes volúmenes de materia buscando posibles desintegraciones protónicas, los teóricos cavilaban sobre el sentido de la desintegración protónica en el mayor volumen que existe: el universo entero. Y descubrieron algo muy notable.

Recordemos que, en la descripción del Big Bang, uno de los datos que proporcionábamos a nuestro ordenador era la entropía específica, la relación entre el número de fotones y el de bariones (protones y neutrones), un número aproximado de 400 millones a uno. Ese pequeño número de bariones corresponde a toda la materia visible del universo actual. La incógnita que plantea este pequeño número de bariones es: ¿Por qué ese número no es cero, por qué sobrevivió al Big Bang la gran explosión ese número pequeño, pero finito, de protones y neutrones? Complica además el problema el hecho de que, según la ley de conservación del número bariónico, este número bariónico neto tiene que haber estado presente desde el principio mismo del universo. Parece una condición inicial bastante arbitraria.

Una condición inicial mucho más atractiva es la simetría perfecta entre bariones y antibariones, es decir, un número bariónico neto cero en el instante de la creación. Pero si se conservase el número bariónico, el número total de bariones sería igual al de antibariones y viviríamos en un mundo de simetría materia-antimateria. El universo observado no posee esa simetría materia-antimateria (está compuesto mayoritariamente de materia), así que empezar con esa simetría constituye un problema.

Las GUT's resuelven este problema. En la mayoría de ellas no se conserva el número bariónico y se da la interesante posibilidad de que el universo pudiese haber comenzado con un estado simétrico materia-antimateria y haber creado luego su propia asimetría materia-antimateria. La posibilidad de desintegración protónica en las GUT's (el ejemplo primario de un proceso de violación del número bariónico) entraña también la posibilidad de que se creen protones y proporciona la clave para contestar la pregunta de por qué existe el universo visible.

Para que podamos entender mejor lo que hemos descrito, necesitamos comprender el mecanismo por el cual se instaló, en los inicios de la historia del cosmos, la ventaja de la materia sobre la antimateria, por la cual la materia se volvió preeminente después de los procesos de aniquilaciones masivas. En función de lo que sabemos sobre el protón, podríamos extraer que éste es eterno; ¿lo es realmente? ¿Su vida es eterna? ¿Y por qué los protones creados en aceleradores de alta energía aparecen siempre acompañados por un antiprotón? Para encontrar alguna explicación digerible a esta pregunta, los físicos inventaron el número bariónico B. Se asigna a cada barión (protón, neutrón u otra partícula masiva) un número B = 1 y a su antipartícula un número B –1. Los quarks tienen B = 1/3 y los antiquarks B = –1/3. Todas las demás partículas tienen B = 0.

En consecuencia, se establece una exigencia de que, en toda reacción física, el número B total debe conservarse (es decir, que sea el mismo antes y después de la reacción), lo que deja implícito el hecho de que el protón no propenda a desintegrarse y que bariones y antibariones aparezcan en pares. Pero, ¿esta conservación es absoluta (como, por ejemplo, la conservación de la energía eléctrica)? ¿O sólo se trata de una situación aproximada?

Existe más de una razón como para pensar que esta ley de conservación no es absoluta. Cuando analizamos la situación de la ausencia de antimateria en nuestro universo , al retroceder los cálculos de nuestro ordenador en el tiempo podemos llegar a concluir que, a temperaturas elevadas, la población de las partículas debía ser ligeramente superior a aquella de las antipartículas. Esta ventaja numérica, por débil que sea, sugiere la existencia de reacciones físicas en las cuales el número B no estaría exactamente conservado. Si se hubiese conservado siempre, todas las reacciones físicas habrían producido exactamente el mismo número de partículas que de antipartículas.

La posibilidad de una unificación de la fuerza nuclear con la fuerza electrodébil, hace pensar también la existencia de tales reacciones. Esta «gran unificación» – sugerida por la convergencia de las constantes de acoplamiento y por la estricta igualdad de las cargas del electrón y del protón– implica que quarks y electrones están unidos por un grupo. Las operaciones de simetría de este grupo imponen la existencia de reacciones cuyo resultado neto es esencialmente la transformación de un quark en un electrón . Tales reacciones hacen variar el número B.

Una comparación sobre lo que hemos estado describiendo es la que podemos realizar con el estatuto de la carga eléctrica. Las invarianzas globales y locales del lagrangiano unen la carga eléctrica al campo de fotones. La conservación estricta de la carga eléctrica se apoya en la existencia del campo electromagnético al cual está asociada una partícula de masa nula: el fotón. Ningún campo análogo apoya la conservación del número B, dejando la puerta abierta a la posibilidad de la no conservación de este número. En otras palabras, el descubrimiento de reacciones que no conservan la carga eléctrica pondría en cuestión todo el edificio de la electrodinámica cuántica.

Las partículas y antipartículas no siempre exhiben comportamientos simétricos. Los físicos, desde la década de 1960, tienen conocimiento que si dos miembros de un par de partículas tienen iguales propiedades, su comportamiento no es necesariamente idéntico o simétrico. Más exactamente, la probabilidad de que una partícula se desintegre en otras partículas no es necesariamente ni exactamente la misma que la probabilidad de que su antipartícula se desintegre en las antipartículas correspondientes.

Antes de que se inventasen las GUT's, en 1968, el científico Andrei Sajarov llegó ya a la conclusión de que si el número B no se conservaba, tal hecho podía explicar en parte cómo había surgido la asimetría materia-antimateria que observamos hoy, a partir de un estado de simetría perfecta. Sajarov llegó también a la conclusión de que no bastaba que no se conservase el número bariónico, aunque fuese condición necesaria para la creación de materia. Debían darse también otras condiciones.

La primera de estas condiciones es que el universo no debe ser estacionario.

La segunda, es de que el universo tiene que formar más materia que antimateria. Para que pueda hacerlo, la materia y la antimateria, que son imágenes especulares una de otra, tienen que diferenciarse mediante alguna interacción que nos indique de qué lado del espejo está el universo actual. Los físicos experimentales han detectado esas interacciones (denominadas interacciones que violan la inversión del tiempo); se da, por tanto, esta condición.

Otra condición es que el universo ha de hallarse en un estado de no desequilibrio durante una etapa muy primaria de su desarrollo, en la que alcanzan su eficacia máxima los procesos de violación del número B. Esto significa que el universo debe sufrir, en cierto período de su historia primigenia, una «transición de fase», un cambio en su estado básico, que se produce con tal rapidez que la proporción de choques entre las partículas cuánticas del gas primordial no puede mantener el mismo ritmo. Si se produce esta transición de fase, cualquier asimetría materia-antimateria generada en la transición tiene que mantenerse también, porque –concluida la transición– los procesos de violación del número B pasan a ser menos eficaces y la conservación de ese número acaba restaurándose. Los protones y neutrones «extra», creados de la nada, están ya encerrados en el universo.

Una última condición es de que partículas y antipartículas no deben tener un comportamiento estrictamente simétrico.

La demostración de la necesidad de esas condiciones básicas es relativamente fácil. En un universo estático, sin cambios, todas las poblaciones de partículas están en un estado de equilibrio. Los parámetros de las ecuaciones que describen estos equilibrios (ecuaciones de Boltzmann, Fermi-Dirac o Bose-Einstein), son cantidades como la masa y las multiplicidades de las partículas. Si estas cantidades son idénticas para las partículas y antipartículas, las poblaciones serían idénticas incluso en presencia de reacciones que no conservaran el número B.

Igualmente, si partículas y antipartículas tienen un comportamiento perfectamente simétrico, las no conservaciones del número bariónico en un sentido (favoreciendo por ejemplo la materia) serían irremediablemente compensadas por no conservaciones en el otro sentido (favoreciendo la antimateria), y así la simetría será reestablecida. La asimetría de comportamiento es entonces esencial para establecer la asimetría materia-antimateria.

En el universo en expansión, como en la nucleosíntesis del Big Bang, todo gira alrededor de los valores relativos de dos escalas de tiempo. La primera escala t_reac está unida a las reacciones que no conservan B, y la segunda, al tiempo característico de expansión t_exp. La asimetría aparece cuando la expansión se vuelve demasiado rápida para dejar que se restablezca el equilibrio; es decir, cuando t_expes más breve que t_reac. La población de partículas se vuelve entonces –¡ligeramente!– superior a la población de antipartículas.

En resumen, podría generarse una asimetría materia-antimateria a partir de un estado simétrico siempre que: 1), no se conservase el número bariónico; 2), existiesen interacciones que violasen la inversión del tiempo; 3), el universo se hallase, en determinado momento, en un estado de desequilibrio de expansión extrema. En el modelo estándar, la condición 1 y la condición 3 no se cumplen, por lo que el origen de la materia visible sigue siendo en él una incógnita. Sin embargo, las GUT's, que van más allá del modelo estándar, pueden violar la conservación del número bariónico. Debido a esto, resurgió el interés por llegar a una explicación de la asimetría materia-antimateria observada. En 1978, varios físicos teóricos, comprendiendo que este viejo problema podría resolverse ya en el marco de las GUT's, trabajaron activamente calculando la asimetría para comprobar si coincidía con la observación.

Los físicos teóricos, utilizando el modelo SU(5), calcularon el número de partículas nucleares (la entropía específica) formadas en el universo muy primitivo y obtuvieron una cifra demasiado pequeña (entre diez y cien veces). Este cálculo se basaba, sin embargo, en datos del universo primitivo cuando sólo tenía 10 ^-15 segundos y que no llegaban a estar claros del todo. Por tanto, que el cálculo difiriese en una cuantía tan alta no se consideraba un fallo, sino más bien indicio de que, en realidad, las nuevas ideas resultaban fructíferas. Posteriormente, al elaborarse otros modelos GUT, se obtuvieron cifras más apropiadas. Igual que los físicos de finales de los años sesenta calcularon la génesis de elementos como el helio, el deuterio y el litio en el Big Bang a partir de los protones y neutrones, los físicos de finales de los años setenta calcularon la formación de bariones, como los protones y los neutrones, a partir de los quarks y leptones. Cada vez era mayor el número de físicos que apostaban por las GUT's, sobre todo por el modelo SU(5). En este modelo, llamado también «mínimo», se asocia la creación de la asimetría materia-antimateria con los sucesos que llevaron a la ruptura de la gran unificación alrededor de 10¹⁵ GeV. Antes de esta ruptura, materia y antimateria tenían un estatuto estrictamente simétrico.

Se considera la existencia de un gran grupo unificado, del tipo SU(5), que más tarde se «desagrega» en dos grupos: un SU(3) por la fuerza nuclear y un SU(2) x U(1) para la fuerza electrodébil. Pero tendremos que admitir que este modelo no explica cuantitativamente las observaciones. Probablemente cualitativamente sea acertado y, si no es así, igual debe ser considerado por el valor didáctico que conlleva. Por otra parte, y mirada la asimetría desde el plano cuantitativo, ésta será proporcional a la diferencia de las probabilidades. Intervendrán, asimismo, factores como la relación de los tiempos característicos y las multiplicidades de partículas. La asimetría calculada en el modelo SU (5) es mucho más débil y no permite dar cuenta de la población relativa de los nucleones y de los fotones (número bariónico). Además, la duración de vida del protón calculada es muy breve. Se obtienen 10²⁹ años, cuando su duración –como ya sabemos– es con seguridad mayor que 10³¹ años. Estas dos inconsecuencias llevaron el modelo SU(5) al terreno del olvido.

Otras versiones de las GUT's han sido estudiadas sin mayor éxito. Hoy, la mayor parte de los investigadores se orientan más bien hacia la temperatura de Planck. Esperan encontrar allí el trasfondo apropiado para la unificación de todas las fuerzas, incluida la gravedad. Otros teóricos exploran la posibilidad de que estos sucesos se hayan producido a más baja temperatura. Algunos escenarios hacen pensar que reacciones que no conservan el número B habrían podido sobrevenir mucho más tarde, en el momento de la transición electrodébil. En fin, las GUT's constituyen un tema que aún tienen una larga vida, aunque no sabemos si nos van a llevar a un buen puerto.