Un nuevo descubrimiento establece que hay un tipo de partículas elementales que se balancean entre la materia y la antimateria, aparentemente impulsadas por fuerzas desconocidas no contempladas en el Modelo Estándar.
El mundo subatómico intriga a los científicos desde que descubrimos que el átomo no era el componente básico de la materia.
No solo observamos que un átomo se compone en un 99,99% de vacío, sino que existen también partículas mucho más pequeñas que son los constituyentes últimos de la materia y sus interacciones.
Las partículas elementales de la materia y sus interacciones surgieron después de Big Bang y perduran hasta nuestros días otorgando consistencia a todo lo que conocemos.
Desde los años 70 del siglo pasado disponemos incluso de un Modelo Estándar que detalla, tanto las estructuras que conforman los niveles más básicos de la materia, como las interacciones que se producen entre las partículas elementales.
Esas interacciones son la interacción fuerte, la interacción débil, el electromagnetismo y la gravedad. Sin embargo, el Modelo Estándar no describe la cuarta interacción, la interacción gravitacional: la relatividad general, que describe el campo gravitatorio, no termina de encajar con los modelos matemáticos del mundo cuántico.
Las partículas elementales no son visibles, pero se pueden detectar si se aplica suficiente energía. De esta forma, hemos podido saber que las partículas elementales de la materia son 12 en total: seis quarks (Up, Charm, Top, Down, Strange, Bottom), tres electrones (electrón, muon, tau) y tres neutrinos (electrón, muon, tau).
También hemos descubierto que, si dentro de cada átomo se esconde todo un universo de masa y energía, el interior de cada partícula elemental revela también universos de particularidades que nos conducen a fronteras inexplicables.
La frontera de la antimateria
Una de esas fronteras señala que, además de la materia, existe también la antimateria, una réplica de la materia conocida, menos abundante, que está constituida por antipartículas, en vez de por partículas.
Las antipartículas son idénticas a las partículas, con la salvedad de que su carga eléctrica es opuesta a la de las partículas. Otra cosa que hemos constatado es que partículas y antipartículas no pueden convivir: se anulan recíprocamente si se encuentran.
La Tierra es bombardeada constantemente por antipartículas que nos traen los rayos cósmicos, e incluso nuestros cuerpos son una fuente de antipartículas. Las dos caras del universo están por todas partes. Y cuando coinciden, se produce un espectacular destello de luz, producto de la aniquilación mutua.
Las paradojas no terminan ahí, porque, por un lado, hay partículas que no tienen carga eléctrica que también contienen antipartículas: se considera que el neutrino es simultáneamente materia y antimateria.
Por otro lado, también sabemos que hay cuatro tipos de partículas recogidas en el Modelo Estándar que pueden convertirse en su antipartícula: son mesones de diferentes tipos, todos formados por quarks (que integran la materia nuclear) y antiquarks.
Aunque el descubrimiento de los mesones se remonta a 1935, no fue hasta 2007 cuando nos dimos cuenta de que hay varios tipos de mesones que cambian espontáneamente de materia a antimateria.
Este comportamiento responde al principio de superposición cuántica, según el cual una partícula puede registrar simultáneamente dos o más valores diferentes.
Oscilación inesperada
Sin embargo, ahora se ha producido otro descubrimiento relevante: unos tipos de mesones, conocidos como mesones charm (encanto), sencillamente oscilan entre el estado de partícula y antipartícula.
Es decir, sabíamos que unos tipos de mesones podían cambiar de estado, pero lo que hemos descubierto ahora, merced a una proeza tecnológica, es que otro tipo de mesón cambia de estado de forma oscilatoria, periódica: esos mesones se balancean constantemente entre la materia y la antimateria. Una familiaridad inédita en las interacciones cuánticas.
Los científicos no saben cómo explicar este descubrimiento, que no encaja con el Modelo Estándar. Sospechan que hay más partículas elementales enredándose entre los pies de la materia, que originan estos comportamientos extraños. Otra brecha se abre en la teoría más robusta que tenemos para describir al universo cuántico.
Esta oscilación entre la materia y la antimateria, que se produce en el interior de los mesones, podría aportar sin embargo algo importante: explicar la asimetría que hemos detectado a lo largo y ancho del universo.
Todavía no sabemos por qué, después del Big Bang, prevaleció la materia sobre la antimateria. Puede que el balanceo de unos mesones entre dos estados irreconciliables tenga la respuesta.
Referencia
Observation of the mass difference between neutral charm-meson eigenstates. LHCb collaboration. arXiv:2106.03744 [hep-ex].