05/Feb/07

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Nueva teoría del Universo encaja dos de los mayores misterios

El desequilibrio materia-antimateria y la materia oscura podrían estar relacionadas entre sí solucionando ambos misterios.

Los físicos han desarrollado una teoría que unifica dos de los misterios más ampliamente estudiados del Universo: ¿Por qué existe un desequilibrio entre la materia ordinaria y la antimateria (los científicos esperan ver iguales cantidades de ambas, pero observan menos antimateria), y la identidad de la "materia oscura"; las enigmáticas partículas que se piensa que cuentan para el tirón gravitatorio extra observado en las galaxias distantes.

"Proponemos que el algún punto del Universo primigenio, la materia oscura interactuó con la materia ordinaria de algún modo particular que llevó a desplazar el equilibrio entre la materia y la antimateria ligeramente hacia la materia, un proceso llamado bariogénesis", dijo Jeff Jones, físico de la Universidad de California-Santa Cruz involucrado en el trabajo, a PhysOrg.com. "Hemos propuesto un nuevo mecanismo para la bariogénesis que enlaza estos dos misterios, que se suponía usualmente no relacionados entre sí".

El prefijo "bario" en bariogénesis viene de "barión," una clase de partículas compuestas de tres quarks. Los protones y neutrones son los ejemplos más típicos de bariones. Por extensión, la materia corriente —átomos, en otras palabras, que son principalmente protones y neutrones— están también esencialmente hechos de bariones. De igual forma, la antimateria es, en su mayor parte, antibariones.

El físico ruso Andrei Sakharov, padre de la bomba de hidrógeno rusa y partidario de la coexistencia pacífica entre los soviéticos y los sistemas occidentales, apuntó en los años 60 que para que la bariogénesis tuviese lugar tendría que haber una violación de la simetría CP. La simetría CP es un concepto que afirma que si las partículas comunes son reemplazadas por antipartículas en cualquier proceso físico, y la "lateralidad" es invertida simultáneamente (de forma similar a que yo soy diestro pero mi imagen en el espejo, mi "anti-yo" es zurdo), el resultado debería ser un proceso igualmente factible que tiene lugar a la misma razón que el primero. De las cuatro fuerzas fundamentales conocidas —nuclear fuerte y débil, electromagnética y gravedad— los científicos han visto sólo a la nuclear débil violar, en algunos experimentos, la simetría CP. Sin embargo, cuando la violación da como resultado la producción de bariones, siempre genera además antibariones. Por lo que no se produce desequilibrio.

Debe haber, entonces, un proceso que no conserve en número total de bariones involucrados y que viole la simetría CP. El Modelo Estándar de física de partículas – una teoría que describe la relación entre las fuerzas nuclear débil y fuerte y las fuerzas electromagnéticas, y todas las partículas que sienten estas fuerzas – predice que existe tal proceso. Conocido como "proceso sphaleron", sólo tendría lugar a unas temperaturas demasiado altas como conseguirse en un laboratorio, pero podrían haber tenido lugar en el Universo primigenio. El proceso sphaleron permite la posibilidad de que la materia sea generada sin su correspondiente antimateria, pero esto no es aún una solución completa. Pero, dice Jones, "El Universo no tienen ninguna razón para preferir la materia sobre la antimateria, por lo que a largo plazo se esperaría que finalmente se compensaran. Misteriosamente, no ha sucedido, y aquí es donde aparece nuestro trabajo".

Él y sus colegas demuestran en su artículo (que apareció en la edición de noviembre de Journal of High Energy Physics) que si las partículas de materia oscura tienen ciertas propiedades habrían interactuado con la materia ordinaria. Cuando añadimos esto al resto de las ecuaciones en el Modelo Estándar (la materia oscura actualmente no es parte de él), esta interacción podría haber causado una preferencia de la materia sobre la antimateria. Como en el proceso sphaleron, esta interacción sólo tendría lugar a las temperaturas muy altas que se dieron lugar en el Universo primigenio y que se "apagaron" cuando el Universo se enfrió. Esto no sólo explica cómo pudieron generarse más bariones que antibariones durante un momento, sino también por qué habría más bariones a largo plazo. Pero para este trabajo, el proceso sphaleron tendría que haber terminado antes de que ocurriese la interacción entre la materia ordinaria y la materia oscura. Si tiene lugar en el orden opuesto, el exceso de bariones del Universo primigenio serían aniquilados por lo nuevos antibariones producidos por el proceso sphaleron.

El grupo abordó estas ideas cuando estaban estudiando una extensión del Modelo Estándar conocido como el modelo Pentágono, el cuál involucra partículas teóricas apodadas pentaquarks, que intenta combinarlos juntos en grupos de cinco. Los científicos pueden verificar el Modelo Estándar sólo para partículas con energías alcanzables por los experimentos humanos, las cuales, relativamente, no son muy altas. A altas energías, muchos científicos sospechan que el Modelo Estándar colapsaría y entraría en juego una nueva física. El modelo Pentágono, por otra parte, abre el campo a nuevas fuerzas desconocidas y se mantiene a energías a las cuales el Modelo Estándar falla.

Los investigadores dicen que su teoría de la bariogénesis podría ser válida aún si el modelo Pentágono resulta ser incorrecto, siempre que sus suposiciones sobre la identidad y naturaleza de la materia oscura sea cierta.

"En última instancia, para saber si nuestra teoría es verdaderamente la explicación correcta, se necesitará una comprobación. Dado que involucra conexiones entre muchos procesos físicos distintos, habrá más oportunidades de probarla y esto podría hacerla en ciertos aspectos más fácil de comprobar", dice Jones. "Sin embargo, hay una cierta ventaja sobre otras alternativas, en esta se consigue matar dos pájaros de un tiro".

Cita: Tom Banks, Sean Echols y Jeff L. Jones, "Baryogenesis, dark matter and the pentagon." J. High Energy Phys. JHEP11 (2006) 046

Fuente: Physorg.com, Astroseti. Aportado por Eduardo J. Carletti