Es uno de los mayores misterios del universo y hasta ahora el modelo estándar falla en explicar el motivo. Teóricamente, no hay motivos para que al inicio de todas las cosas, después de la Gran Explosión, hubiese la misma cantidad de materia que de antimateria y el universo acabase convertido en, como me gusta llamarlo, una aburrida sopa de fotones.

Pero el hecho es que ocurrió, y la prueba la tenemos a la vista: no hay rastros de antimateria a nuestro alrededor salvo la que se crea en desintegraciones nucleares y en el laboratorio. Cabe puntualizar que como materia y antimateria son opuestos, tanto daría (salvando las distancias un poco, como veremos) que estuviéramos en un universo de antimateria y estuviéramos preguntándonos qué fue de la materia.

Este problema se conoce como violación de la simetría de carga-paridad (CP) que es una de las cosas que llevó al descubrimiento de la interacción débil como interacción fundamental y a su inclusión posterior en el modelo estándar (SM). Sobre este tema ya hablé en una ocasión: la violación de la simetría CP, el problema de por qué el universo no es una aburrida sopa de fotones. También, convendría traer a colación el artículo sobre la cromodinámica cuántica, que explica un poco la interacción fuerte, de las que hablaré en este artículo.

El Modelo Estándar es el conjunto de teorías que explican las interacciones fundamentales y las partículas, sus relaciones entre ellas y demás. El universo actual es así: cuatro fuerzas fundamentales (gravitatoria, electromagnética, fuerte y débil) y toda una jungla de partículas. Pero no siempre fue así. En particular, desde el instante de la Gran Explosión y hasta unos $10^{-43}$ segundos después (la llamada era de Planck) las fuerzas eran indistinguibles entre sí, estaban unificadas, y las leyes que hoy gobiernan el universo no pueden explicar aquello.

Por este motivo se construyen aceleradores de partículas tan grandes como el LHC, para intentar explorar los límites de Modelo Estándar y acercarnos un poquito más a lo que fue aquello, aunque obviamente nunca podremos llegar a ese punto por los límites inherentes a la tecnología. Pero si nos acercamos lo suficiente para poder ver un poco, quizás entendamos mejor cómo y por qué el universo es tal y como es hoy en día.

El modelo cosmológico estándar tiene una cronología bien establecida para la Gran Explosión, que viene de muchos estudios teóricos. Situémonos ahora instantes después de la Gran Explosión que dió lugar a todo lo que conocemos. A partir de esos $10^{-43}$ segundos después, en el universo primigenio, comenzaron a separarse las fuerzas, a ser distinguibles y empezaron a aparecer las primeras partículas. La cronología completa la ilustra la siguiente infografía:

Infografía del Big Bang hecha por el CERN

Después de la era de Planck a medida que el universo se expande y enfría empiezan a desligarse las fuerzas entre sí hasta llegar a estar completamente diferenciadas al cabo de una décima de milisegundo después de la Gran Explosión. Después, es cuando empiezan los quarks y gluones a juntarse para formar los protones y neutrones y, al cabo de un segundo, comienza la nucleosíntesis primordial, que es la creación de los primeros átomos.

Pero por el camino se libró la batalla entre la materia y la antimateria. Ocurrió antes de los $10^{-12}$ segundos después del Big Bang y esa época se la conoce como “bariogénesis“. En esta época es donde ocurrió la batalla que acabó provocando que casi todo el universo sea materia y que de la antimateria no quede ni rastro. Si había inicialmente un exceso de materia y se aniquiló parte con la antimateria, se desconoce el motivo. Lo que está claro, es que tiene mucho que ver con la ruptura de la simetría CP. Veamos por qué.

La simetría carga-paridad era considerada una simetría fundamental de las partículas. Quiere decir que si a la función de onda que describe a una partícula cambiamos su carga de signo y cambiamos también su posición de signo (es decir, como si mirásemos en un espejo) entonces la función de onda es la misma. Las simetrías son muy útiles en Física porque ayudan bastante a resolver problemas y a formular teorías allí donde es muy difícil trabajar de otro modo.

Al descubrirse que la paridad no era una simetría fundamental, se propuso en los años 50 del siglo XX la simetría CP. Pues bien, en 1964 se descubrió en el laboratorio que un cierto tipo de mesones, los llamados mesones-K (o kaones) violaban directamente la simetría CP. Es decir, que cierto tipo de desintegraciones ocurren con mucha más frecuencia a un lado del espejo que a otro. Y viene además otro problema añadido, y es que la cromodinámica cuántica no parece violar la simetría CP cuando teóricamente debería poder. Francis lo explica en su blog en La cromodinámica cuántica tras 25 años de métodos numéricos, Jul 2010.

En el experimento DZero del Fermilab, experimentando con mesones Bs (formados por un quark y un antiquark bottom y strange) se descubrió recientemente que violan la simetría CP de forma mucho más significativa de lo que predice el Modelo Estándar.

Debido a la simetría CP, debería hallarse el mismo número de desintegraciones debidas al mesón Bs formado por un quark bottom y un antiquark strange que las debidas al mesón Bs formado por un quark strange y un antiquark bottom. La violación de la simetría CP hace que lo que le ocurre a la partícula sea distinto de lo que le ocurre a la antipartícula, recordemos los dos lados del espejo. Sin embargo, con los mesones Bs ocurre que se produce una asimetría mucho más importante de la que predice el Modelo Estándar, que es la que se descubrió con los kaones.

Pero aquí, sucede de forma mucho más acusada. Y esta es una pista que apunta en una dirección muy interesante, y es que podríamos estar ante la visión de lo que ocurrió en la bariogénesis, el momento en el que por alguna razón, la materia salió adelante. Lo que parece estar claro es que al Modelo Estándar le queda algún que otro retoque o ajuste para poder predecir en condiciones este tipo de eventos. Pero claro, no olvidemos que un modelo es ajustable en base a la experimentación, y eso es lo que se está haciendo. Podéis leerlo en el blog de Motl D0: a 4-sigma evidence for new CP violation in like-sign dimuons, Jun 2011 o si lo preferís en castellano, también Francis Confirmada a 4 sigma la asimetría CP en los mesones Bs neutros tras analizar 9 /fb de colisiones en DZero del Tevatrón en el Fermilab, Jul 2011.

No está dicha la última palabra sobre este tema, pero todo parece indicar que cada vez estamos más cerca de encontrar la respuesta al problema que plantea la bariogénesis. Al menos es un consuelo saber que se trata de encontrar qué le falta al Modelo Estándar o mejor dicho, qué hay que ajustar para llegar a encontrar explicación. Otro tema distinto es explicar por qué solo se ha visto en mesones Bs que decaen en muones y si es posible verlo también en otro tipo de desintegraciones. Luego habría que coger las piezas del puzzle y ponerlas en el contexto de la bariogénesis.

Pero ahora, gracias a todo este esfuerzo, estamos más cerca de poder responder a la pregunta clave de todo esto: por qué la materia acabó venciendo. De momento, ya hemos visto que es posible que el Modelo Estándar contemple una violación CP mayor de lo previsto. Seguiremos informando.