La noticia en Menéame «¿Por qué hay más materia que antimateria en el Universo?» (más de 180 meneos y más de 2 semanas tarde), que en realidad es exactamente la misma noticia que «Nuevo giro en el misterio de la antimateria» (pocos meneos y en su momento más inmediata), pero con un título y un texto «ligeramente» distinto (tratan de lo mismo, un artículo publicado en Nature por el grupo Belle sobre mesones B, uno de los experimentos en el acelerador de partículas KEK japonés, toda una fábrica de mesones tipo B, hay otra en EEUU); la noticia ya ha sido comentada en un blog castellano aquí. Estos «meneos» me han recordado la importancia del «titular» de una noticia. Así que les robo el mismo. Además, he visto una gran discusión de los lectores sobre el tema… que parece que no queda claro en ninguna de las dos noticias. Ya se sabía la respuesta a la pregunta. ¿Se tiene o no se tiene explicación para la asimetría materia-antimateria?

El problema está en el Modelo Estándar de las Partículas Elementales y de las Fuerzas Fundamentales. Sin entrar en detalles técnicos, hoy se piensa que es la «explicación» a baja energía (hasta unos cientos de GeV) del zoo de partículas elementales que hemos encontrado. Ciertas cuestiones técnicas (renormalizabilidad) nos indican que el Modelo Estándar es único en el sentido de que es el modelo más sencillo que da cuenta de dicho zoo (lo que observamos en los experimentos). Desafortunadamente, «no explica nada». ¿Por qué es como es? Porque cualquier teoría «buena» a alta energía que a baja energía tenga que explicar el zoo de partículas, «debe» ser el Modelo Estándar.

El Modelo Estándar tiene muchos parámetros libres (depende de cómo se cuenten, más de 20) que nadie sabe explicar y que hay que determinar experimentalmente (medidas de precisión, el futuro LHC hará un gran favor en esto). Además, le podemos añadir gran «número de flecos»: si se descubre una nueva partícula o una nueva propiedad de una partícula, es fácil añadirla al Modelo Estándar sin muchos cambios. Por ejemplo, la masa de los neutrinos. Por supuesto, si se descubre una nueva partícula que ha sido predicha por alguna extensión «bonita» del Modelo Estándar, lo mismo «la comunidad» reivindica dicha extensión, pero no sin reticencias (por ejemplo, si se descubre la partícula supersimétrica de menor masa; sería «más barato» aceptar la supersimetría que modificar «duplicando» el Modelo Estándar).

¿A qué viene todo esto? En el Modelo Estándar (hasta el 20 de marzo de 2008 ) la materia (partículas) y la antimateria (antipartículas) son completamente simétricas e intercambiables. ¿Esto es un problema? Sí, porque en nuestro entorno cercano del Universo sólo vemos (lo que llamamos) materia y se supone, modelo mínimo, que el resto de lo que vemos es también materia, pero en el Big Bang el Modelo Estándar predice que se produjo tanta materia como antimateria. ¿Dónde está entonces la antimateria? Lo más sencillo se suponer que por «fluctuaciones cuánticas» (u otras causas extrañas) se generó un pequeño exceso de materia (remanente) que sobrevivió a la aniquilación mutua materia-antimateria del resto. Es la explicación fácil suponiendo que el Modelo Estándar es completamente simétrico a materia y antimateria.

La importancia del resultado experimental publicado (lo que no significa confirmado, pero el LHC podrá hacerlo fácilmente) en el artículo de la colaboración Belle, «Difference in direct charge-parity violation between charged and neutral B meson decays,» Nature 452, 332-335 (20 March 2008 ) es que, por primera vez, presenta un ejemplo de asimetría materia-antimateria experimental que hay que adjuntar (añadir) al Modelo Estándar. Es decir, para los mesones B neutros, el Modelo Estándar no es completamente simétrico a materia-antimateria. Hay que incorporar una nueva asimetría (técnicamente violación de la simetría CP) en el Modelo Estándar. Esta asimetría dentro del Modelo Estándar es la explicación más sencilla que permite explicar que ahora haya más materia que antimateria (en verdad de la buena, el Modelo Estándar ya tenía una violación de la simetriá CP, pero era demasiado pequeñita para explicar el desequilibrio materia-antimateria, lo que la nueva permite «fácilmente»). El Modelo Estándar (ahora) «prefiere» la materia.

El equipo de investigación Belle ha encontrado una violación de la simetría carga-paridad (CP) en mesones neutros K⁰ y B⁰, aunque en este segundo caso la violación es mucho más significativa. Ya se conocía esta asimetría CP en los mesones K y B, gracias al mecanismo de Kobayashi-Maskawa, propuesto en 1973, que permitió predecir la existencia de la tercera familia de quarks antes de que fuera descubierta. Sin embargo, era demasiado pequeña para dar cuenta de la dominancia de la materia en el Universo. Se necesitaban «nuevas» fuentes de violación CP.

 

La figura ilustra los cuatros procesos más importantes para el decaimiento de mesones B en kaones (mesones K) y piones (mesones pi) y que los «B-esones» son inestables y sólo existen a alta energía. El mesón B positivo está formado por un antiquark b y un quark u (los mesones son siempre pares quark-antiquark) y el mesón B neutro por un antiquark b y un quark d. Estos mesones decaen en piones (pi neutro, anti-u y u, pi negativo, anti-u y d) y mesones K (u y anti-s) o mesones pi positivos (u y anti-d). El diagrama de Feynman de la figura (a) lo ilustra «claramente», donde W es un bosón vectorial, que acarrea fuerza débil. Los demás diagramas son similares. La figura (b) es un diagrama de tipo pingüino, no entraré en sus detalles  (g es un gluón, partícula portada de la fuerza fuerte), como (c) donde Z es un bosón vectorial neutro que acarrea fuerza débil. Tanto (a) como (b) se explican «fácilmente» en el modelo estándar. Sin embargo, la observación de las interacciones mostradas en los diagramas (c) y (d) es más complicada y requiere una «adición» al Modelo Estándar, nueva física, una mayor violación CP de la que se incluía previamente.

Evidencia de nueva física, pero ¿cómo implementar esa violación reforzada de la simetría CP? Ahora es el turno de los teóricos que deberán buscar la mínima adición posible al Modelo Estándar que explique estos nuevos descubrimientos experimentales. Mientras tanto, los experimentales seguirán trabjando.

La moraleja es sencilla, por «muy bello» que sea el Modelo Estándar (en mi opinión ya no lo es) y por mucha imaginación que tengan los físicos teóricos, sin experimento no puede avanzar nuestra comprensión de la realidad. Bienvenido sea el LHC. ¡¡ Ahhh !! Gracias CERN, por la Internet.