El Bosón de Higgs podría explicar el dominio de la materia sobre la antimateria

Una nueva teoría propone que el campo de Higgs varió en los inicios del universo, dando la oportunidad a la materia de diferenciarse de la antimateria

Las estrellas, los planetas, usted y yo podríamos fácilmente estar hechos tanto de antimateria como materia, pero esto no ocurre. Algo sucedió a principios de la historia del universo para darle ventaja a una parte, dejando un mundo de cosas construidas a partir de átomos de materia y pocos rastros de la antimateria que alguna vez fue tan abundante, pero que es rara en la actualidad. Una nueva teoría publicada el 11 de febrero en Physical Review Letters sugiere que la partícula recientemente descubierta, el bosón de Higgs, puede ser la responsable; más en particular, el campo de Higgs que se asocia con la partícula.

Simulación por ordenador de rastros de partículas de una colisión del LHC que produjo un bosón de Higgs. CERN

Se cree que el campo de Higgs impregna todo el espacio e imbuye de masa a las partículas que pasan a través de él, de manera similar a como un colorante líquido le da color a los huevos de Pascua cuando se los sumerge en él. Si el campo de Higgs comenzó con un valor muy alto en el universo primitivo y se redujo con el tiempo a un valor menor, como el actual, en el proceso podría haber diferenciado brevemente las masas de las partículas de las masas de sus antipartículas; una anomalía, porque la antimateria hoy se caracteriza por tener la misma masa pero la carga opuesta de su homóloga la materia. Esta diferencia en la masa, a su vez, podría haberle dado a las partículas de materia más probabilidades de formarse que a las de antimateria en los primeros días del cosmos, lo cual produjo el exceso de materia que vemos hoy.

«Es una buena idea que merece más estudio», dice el físico Kari Enqvist de la Universidad de Helsinki, quien no participó en el nuevo estudio, pero que también ha investigado la posibilidad de que el campo de Higgs haya disminuido con el tiempo. «Hay una probabilidad muy alta de que el campo de Higgs tuviese un alto valor inicial después de la inflación».

La inflación del universo

La inflación es, en teoría, una época temprana del universo en la cual el espacio-tiempo se expandió rápidamente. «La inflación tiene una propiedad muy peculiar: permite que los campos salten de valor», dice el líder del estudio Alexander Kusenko de la Universidad de California, Los Angeles. Durante la inflación, que alteró radicalmente el universo en un lapso mucho menor a un segundo, el campo de Higgs podría haber saltado de un valor a otro debido a las fluctuaciones cuánticas, y podría haber quedado fijo en un valor muy alto cuando terminó la inflación. A partir de ahí se habría establecido en un valor más bajo de «equilibrio», pero mientras estaba variando constantemente, cambiando su valor, podría haber dado a las partículas de materia una masa diferente que la de sus homólogas de antimateria. Debido a que las partículas más livianas requieren menos energía para formarse, surgen con más frecuencia. De este modo, si la materia era más liviana, podría haberse hecho más abundante rápidamente.

La razón por la que el campo de Higgs habría tenido la facilidad de dar saltos durante la inflación es que la masa medida del bosón de Higgs, la partícula asociada al campo, es relativamente baja. El bosón apareció en 2012 en el interior del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Suiza, revelando que su masa es de aproximadamente 126 GeV (giga electrón-voltios), o aproximadamente 118 veces la masa del protón.

Eso es un poco más liviano de lo que podría haber sido según diversas teorías. Piense en el campo de Higgs como un valle entre dos acantilados. El valor del campo es similar a la elevación del valle, y la masa del bosón determina la inclinación de las paredes de los acantilados. «Si tienes un valle muy curvado entonces es probable que tengas lados muy empinados», dice Kusenko. «Eso es lo que hemos descubierto. Este valor nos dice que las paredes no son muy empinadas, lo cual significa que el campo de Higgs podría saltar y llegar muy lejos»… a otros valles con elevaciones más altas. Enqvist está de acuerdo en que el Higgs podría muy bien haber empezado mucho mayor de lo que es hoy. Si esto causó o no que la materia se separase de la antimateria es «algo más especulativo», dice.

Una nueva partícula

Esta división dependerá de la presencia de una partícula teorizada que no se ha podido detectar hasta ahora: el denominado neutrino Majorana pesado. Los neutrinos son partículas fundamentales que vienen en tres sabores (electrónico, muónico y tauónico). También podría existir un cuarto neutrino, sin embargo, que se espera que sea mucho más pesado que los otros, y por lo tanto más difícil de detectar (porque cuanto más pesada es una partícula, más energía debe producir un colisionador para crearla). Esta partícula tendría la extraña virtud de ser su propia compañera de antimateria. En lugar de una versión materia y antimateria de la partícula, el neutrino Majorana de materia y antimateria serían sólo uno: el mismo.

Esta calidad de dos caras habría hecho que los neutrinos fuesen el puente que permitió que las partículas de materia se cambiasen a partículas de antimateria y viceversa en el universo temprano. Las leyes cuánticas permiten que las partículas se transformen en otras partículas por breves instantes de tiempo. Normalmente se les prohíbe la conversión entre materia y antimateria. Pero si una partícula de antimateria, digamos, un neutrino antielectrón se convirtiese en un neutrino Majorana, dejaría de saber si fue materia o antimateria, y luego podría convertirse tan fácilmente a un neutrino electrónico regular como volver atrás en su estado original de neutrino antielectrón. Y si el neutrino resultaba ser más ligero que el antineutrino en ese entonces, a causa de la variación del campo de Higgs, entonces el neutrino habría sido más probable, dándole potencialmente a la materia una ventaja sobre la antimateria.

«Si es verdad, esto podría resolver un gran misterio de la física de partículas», dice el físico Don Lincoln del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi en Illinois, que no participó en el estudio. Sin embargo, el neutrino Majorana «es puramente especulativo y ha eludido su descubrimiento, a pesar de que los experimentos del LHC tienen un vigoroso programa de investigación en busca de él. Los investigadores sin duda mantendrán esta idea en mente mientras busquen en los nuevos datos que el LHC comenzará a generar a principios del verano de este año».

Kusenko y sus colegas también tienen otra esperanza de encontrar un respaldo adicional para su teoría. El proceso del campo de Higgs que imaginaron podría haber creado campos magnéticos con propiedades particulares que aún estén en el universo actual, y si es así, podrían ser detectables. Si los encuentran, la existencia de tales campos proporcionarían evidencia de que el campo de Higgs realmente tuvo una disminución de valor hace mucho tiempo. Los científicos están tratando de calcular simplemente cómo serían las propiedades del campo magnético y si los experimentos tienen una esperanza plausible de observarlos, pero la opción plantea la tentadora esperanza de que su teoría podría tener consecuencias comprobables, y tal vez una oportunidad de solucionar el misterio de la antimateria después de todo.

Fuente: Scientific American. Aportado por Eduardo J. Carletti

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