Aparte de la materia oscura, la energía oscura, los agujeros negros y los bariones perdidos del Universo, uno de los misterios más cautivantes en la física actual se centra alrededor de la antimateria. Particularmente, se enfoca en la lucha metafórica entre la materia regular y la antimateria, las cuales fueron creadas en igual proporción durante el origen del Universo, hace 14 mil millones de años.
Es una cuestión tanto filosófica como física. Si la antimateria hubiera ganado, no existiría ningún elemento de nuestro Universo físico (ni siquiera nosotros), ya que ambas se habrían aniquilado mutuamente en ráfagas de radiación pura, dejando detrás energía y un brillante Universo, pero sin ningún rastro distintivo. Entonces, ¿exactamente a qué debemos la presencia extendida de la materia normal?
Es difícil dar una respuesta a esa pregunta, ya que es complejo especular acerca de (y mucho más evaluar) las condiciones que existieron durante los millones de años posteriores al Big Bang; sin embargo intentaremos develar este misterio. La mayor parte de la evidencia con la que contamos existe como radiación del fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés), la cual es un fósil del Universo temprano. También hay neutrinos, partículas fantasma creadas por decaimiento radiactivo. Crear antimateria en un laboratorio y estudiar sus propiedades sin duda revelará algunas de nuestras preguntas acerca de esta némesis de la materia normal.
Al tratar de encontrar respuestas precisas para nuestras preguntas, los científicos primero debieron calcular un porcentaje aproximado de la materia que ganó frente a su anti-equivalente, simplemente con una partícula extra de materia normal sobreviviente por cada 30 millones de partículas de antimateria. Lo que genera un debate interesante.
¿Es posible que el Universo se haya formado con un desequilibrio tal que haya permitido que ocurriera esta fluctuación?
No parece probable, por lo que el físico ruso Andrei Sakharov se volcó al tablero de dibujo en 1967.
Él postuló que, para que hubiera más materia que antimateria, eran necesarias tres condiciones. Primero, ninguna ley de conservación puede prohibir reacciones que impacten efectivamente sobre el delicado equilibrio entre partículas y antipartículas. Para que esto fuera remotamente posible, su teoría fue que las leyes de la física pueden variar un poco de la materia a la antimateria.
Este fue un argumento audaz, ya que no se habían producido reacciones en forma experimental…hasta que las partículas llamadas “kaones de vida media larga” aparecieron en escena. En el laboratorio, se reveló que la fuerza débil (o interacción débil) no actúa igual para los quarks y sus contrapartes, los antiquarks. La interacción débil es una de las cuatro fuerzas de la naturaleza fundamentales propuestas en el modelo estándar de la física de partículas. Esta fuerza es principalmente responsable por el decaimiento radiactivo de las partículas subatómicas como los fermiones, cuyo espín (o momento angular) es medio entero.
Por último, muy temprano en la vida del Universo, comenzaron a darse varias reacciones entre diferentes partículas y sus antipartículas equivalentes, a diferentes velocidades entre la radiación y el plasma primordial del Universo temprano. Esto solo podría pasar si las partículas NO se encontraran en estado de equilibrio térmico.
Si lo estuvieran, el alto estado de desequilibrio del Universo no persistiría y las partes iguales de materia y antimateria seguirían existiendo, cancelándose mutuamente..
Casi 50 años después, gran parte de las condiciones de Sakharov aún son relevantes, ya que los modelos estándar de cosmología y física de partículas (junto con las simulaciones realizadas utilizando aceleradores de partículas) nos han ayudado a comprender el estado del Universo poco después de ocurrido el Big Bang. La idea que sugieren es que dentro de los primeros 10-12 segundos de existencia del Universo moderno, las interacciones entre las partículas eran muy diferentes a las que vemos hoy.
Particularmente, eran mucho más activas mientras la mayoría permanecía sin tener masa. Hasta que el Universo comenzó a expandirse a gran velocidad y a enfriarse gradualmente, permitiendo que las partículas adquirieran masa al interactuar con el campo de higgs y cambiando a un estado más favorable de menor energía .
Los aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones y el acelerador Fermilab, que acelera protones y antiprotones a velocidades cercanas a la velocidad de la luz antes de colisionar violentamente entre ellas, parecen indicar en sus resultados que la materia predomina por sobre la antimateria solo cerca de un 1%, que es un número pequeño, pero aún así significativo y podría explicar la dominancia de la materia normal en todo el Universo.
