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FÍSICA

Un estudio de científicos brasileños en el Cern detectó que la formación de materia es siete veces mayor que la de antimateria

Este trabajo forma parte del experimento LHCb y en él se analizó la desintegración de un tipo raro de partículas y antipartículas

Las instalaciones en donde se realizó el experimento

Maximilien Brice / Cern

Uno de los grandes misterios de la cosmología lo constituye la asimetría materia/antimateria, presente desde el Big Bang, la explosión primordial que habría originado el Universo hace unos 13.800 millones de años. Este desequilibrio se caracteriza por una mayor presencia de partículas, tales como los protones, neutrones y electrones, que sus correspondientes antipartículas (antiprotones, antineutrones y positrones). Cada tipo de antipartícula posee propiedades tales como la masa y la energía idénticas a las de las partículas, pero con carga eléctrica y algunos parámetros cuánticos de valor inverso. El electrón, por ejemplo, es una partícula con carga negativa. El positrón, su antipartícula, es positivo. En teoría, en el Cosmos debería existir la misma cantidad de materia que de antimateria, ya que se generan simultáneamente como si fueran gemelos univitelinos, es decir, idénticos. Pero casi todo lo que se observa en el Universo visible, desde los átomos hasta las galaxias, está compuesto por partículas, no por antipartículas.

En laboratorio, una forma de tratar de entender la asimetría materia/antimateria del Universo consiste en analizar de qué modo la producción de ciertos tipos de partículas y antipartículas subatómicas contradice una ley fundamental de la física denominada simetría de paridad de carga (CP). Este principio establece que la tasa de decaimiento de una partícula y de su respectiva antipartícula debería ser la misma. El decaimiento o desintegración es un proceso espontáneo en el cual las partículas y las antipartículas inestables se fragmentan y generan otras partículas y antipartículas más ligeras. Un estudio encabezado por un grupo de científicos brasileños realizado en el acelerador de partículas más grande y potente del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), registró el mayor grado de violación de esta ley, la de simetría CP, que se haya medido hasta ahora en laboratorio. El LHC es uno de los laboratorios de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (Cern), y está ubicado en los alrededores de Ginebra, en Suiza, en la frontera con Francia. A principios del mes de marzo, el gobierno federal de Brasil firmó un convenio que contempla el ingreso del país como miembro asociado de la institución (léase el apartado).

Según se desprende de este estudio, ciertas formas raras de una partícula subatómica efímera denominada mesón B pasan por el proceso de decaimiento con una frecuencia casi siete veces mayor que su antipartícula correspondiente. “Si la violación de la simetría CP fuera del orden de un 10 %, nuestro resultado podría explicarse fácilmente de acuerdo con la física vigente. Pero el nivel de disparidad que hemos medido fue inesperado”, comenta en una entrevista concedida a Pesquisa FAPESP el físico Ignácio Bediaga, científico del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF, en portugués) y coordinador del grupo que llevó a cabo el estudio. “Una violación tan acentuada puede ser el resultado de interferencias cuánticas o de algún mecanismo físico hasta ahora desconocido”.

El resultado de este trabajo, que aún no ha sido enviado para su publicación en una revista científica, fue obtenido por un equipo integrado por 12 físicos brasileños y una hondureña que forman parte de la colaboración internacional LHCb. Esta es una iniciativa en la que participan 1.400 científicos, técnicos e ingenieros de 18 países. Aparte de los investigadores del CBPF y de los brasileños que trabajan en universidades extranjeras, el equipo incluye a físicos de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), de la Universidad de Brasilia (UnB) y también a una colega de la Universidad Nacional Autónoma de Honduras (UNAH). El LHCb es uno de los cuatro experimentos principales que se llevan adelante en el LHC, cuyo acelerador de partículas ocupa un túnel circular de 27 kilómetros de extensión situado a 100 metros por debajo de la superficie terrestre.

LHCb / CernUna reproducción por computadora de una colisión de protones con producción de partículas, entre ellas, piones y kaonesLHCb / Cern

El grado de confiabilidad de los datos producidos por el trabajo de los brasileños supera las 5 sigmas, es decir, hay menos de una posibilidad entre 3,5 millones de que la medición final se deba a un error o a una fluctuación estadística. Más allá de su relevancia para la propia física de partículas, la medición podría tener implicaciones importantes en el campo de la cosmología, que estudia el origen y la evolución del Universo, aunque a juicio de los investigadores, todavía es prematuro avanzar demasiado en este tipo de especulaciones.

Al igual que otras partículas inestables, los mesones B se producen como resultado de la colisión entre protones acelerados a velocidades cercanas a la de la luz en el interior del LHC. En el experimento, los físicos determinaron la frecuencia con la que los mesones B, con carga eléctrica positiva o negativa (y sus antipartículas respectivas) se transforman en alguna de las cuatro combinaciones posibles de tres partículas más livianas: tres piones; tres kaones; dos piones y un kaón, y dos kaones y un pion. En el principio del Universo, entre otros procesos, habría habido producción de mesones B y se produjo este tipo de decaimiento.

Con base en el registro de miles de millones de colisiones de protones en el LHC, los investigadores pudieron observar alrededor de 100.000 eventos en los que, en billonésimas de segundo, los mesones B cargados eléctricamente se desintegraron generando piones y kaones. “Analizamos los datos del segundo ciclo de colisiones de protones que se produjeron en el LHC entre 2015 y 2018”, dice la física Laís Soara Lavra, quien realiza una pasantía posdoctoral en la Universidad de Clermont Auvergne, en Francia, e integra el grupo brasileño del LHCb. “Llevamos cinco años analizando los datos y elaborando este estudio”. En su doctorado, Soara Lavra trabajó con datos preliminares del LHCb.

La producción de estudios que puedan ayudar a comprender mejor el predominio de la materia sobre la antimateria es el objetivo central del experimento LHCb. La ruptura de la simetría CP es el único principio incorporado al denominado Modelo Estándar de la física que procura interpretar la producción levemente desigual de partículas y antipartículas desde el Big Bang. El Modelo Estándar es la teoría dominante que, desde hace medio siglo, proporciona una explicación para las partículas que constituyen la materia y casi todas sus formas de interacción (fuerza electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil). La única fuerza que el modelo no contempla es la de la gravedad.

Nasa / ChandraImagen obtenida por un satélite que muestra un púlsar en el interior de la Nebulosa del Cangrejo, que emite un chorro de partículas y antipartículas perpendicular a su anilloNasa / Chandra

En un sentido estricto, la ruptura de la simetría CP fue una condición necesaria para que el propio Universo y todo lo que hay en él existiera. Si la cantidad de materia y antimateria fuera exactamente la misma, en el Cosmos solo habría energía. Sucede que, cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, ambas se aniquilan inmediatamente e instantáneamente desaparecen, liberando algún tipo de luz (radiación electromagnética). Los estudios indican que casi la totalidad de la antimateria del Universo desapareció menos de un segundo después del Big Bang, y lo que quedó es prácticamente la materia producida en exceso, nada más.

“Los resultados de este trabajo del grupo brasileño en el LHCb son de suma importancia”, comenta el físico teórico Tobias Frederico, del Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), quien colabora con Bediaga, del CBPF, aunque no forma parte del equipo brasileño que trabaja en el experimento internacional. “Pero todavía no se los puede utilizar como una posible explicación para el exceso de materia en relación con la antimateria en el Universo. De momento, realizar este tipo de conexión sería un salto demasiado grande. Puede ser que haya otras explicaciones que justifiquen el alto grado de violación de la simetría CP obtenido”.

El físico teórico argentino Gustavo Burdman, de la Universidad de São Paulo (USP), también coincide en que la contribución del estudio es importante y merece un reconocimiento. Sin embargo, también subraya que el alto grado de violación de la simetría CP medido por el grupo del CBPF no es necesariamente sorprendente. “La física teórica tiene dificultades para efectuar predicciones consistentes acerca de cuál sería el nivel de violación de la simetría que debería considerarse normal o aceptable para ese tipo específico de decaimiento de los mesones B”, explica Burdman. “Por ello, no resulta sencillo extraer del experimento alguna información que pueda ser relevante para la comprensión de la asimetría entre materia y antimateria en el Universo”.

El investigador de la USP hace hincapié en que la existencia de violación de la simetría CP es una condición necesaria, pero no suficiente para explicar el predominio de la materia en el Universo. Otras alteraciones en el curso de la historia del Cosmos, como por ejemplo, un período de desequilibrio térmico, habrían contribuido para la desaparición casi total de la antimateria.

Brasil suscribe un convenio para ingresar al Cern
La adhesión del país al centro europeo como miembro asociado aún debe ser ratificada por el Congreso Nacional

Serge Bellegarde / CernUno de los edificios del Cern, en la frontera entre Suiza y FranciaSerge Bellegarde / Cern

El 3 de marzo, el ministro de Ciencia, Tecnología e Innovación (MCTI), Marcos Pontes, rubricó un acuerdo en la sede del Cern, en Suiza, que prevé la incorporación de Brasil como miembro asociado al centro de investigación europeo que cuenta con el mayor acelerador de partículas del mundo, el LHC. Desde septiembre de 2021, el Cern había dado luz verde para que el país llevara delante su proceso de ingreso. Para su implementación, el acuerdo aún precisa la ratificación del Congreso Nacional. Tras ello, el país comenzaría a abonar un canon al Cern, estimado en unos 10 millones de euros al año.

El Cern, una organización fundada en 1954, en la actualidad está integrado por 23 países miembros, todos europeos excepto Israel. Otros siete han sido aprobados como miembros asociados y tres están atravesando el proceso para su aceptación por el centro con ese estatus, el mismo que ha solicitado Brasil. Más de 12.000 científicos de 110 nacionalidades realizan investigaciones en él.

El presupuesto anual del Cern es de alrededor de 1.200 millones de euros, y el monto de la contribución que abona cada país se calcula en función de la magnitud de su Producto Interno Bruto (PIB) y otros factores de corrección. Los Estados miembros de pleno derecho aportan mucho más que los asociados. El mayor financiador del centro es Alemania, que este año destina una subvención de 240 millones de euros al centro. A la India, con estatus de miembro asociado y una economía un 80 % mayor que la brasileña, en 2022 le corresponde aportar 17 millones de euros.

El ingreso del país al Cern, un pedido de la comunidad brasileña de físicos desde hace más de una década, puede reportarle beneficios a la ciencia y a la industria nacional. Los investigadores brasileños estarán habilitados a cumplir tareas de mayor envergadura en los experimentos del LHC y en otros laboratorios del centro, y Brasil tendrá un asiento en los comités que definen las directrices de la organización. Las empresas nacionales podrán participar en licitaciones para proveer servicios y equipamientos al Cern, que periódicamente necesita modernizar sus instalaciones. La organización tiene previsto construir una versión del LHC cuatro veces más grande en las próximas décadas, el Future Circular Collider [FCC]. Los enormes imanes que se utilizan en los aceleradores de partículas emplean aleaciones con niobio. Brasil es dueño de aproximadamente el 98 % de los yacimientos de niobio en explotación de todo el planeta.

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