Entrevista a Frank Close

“Si el Big Bang formó materia y antimateria en perfecto equilibrio, ¿cómo fue posible que no se aniquilaran mutuamente?”

Annia Domènech / 07-01-2011

Una es imagen especular de la otra. Una constituye el mundo en el que vivimos, todo lo que conocemos y lo que somos; y la otra desapareció de nuestra vista cuando se formó el Universo. Sin más preámbulos, presentamos a la materia y la antimateria.
Frank Close, catedrático del Departamento de Física de la Universidad de Oxford (Reino Unido) nos guía por una posible realidad que parece ciencia ficción en un viaje con parada en el gran colisionador de hadrones LHC (Large Hadron Collider). ¿Qué podría esta gran infraestructura revelarnos en un futuro?

¿A qué se refieren los físicos teóricos cuando hablan de simetría entre materia y antimateria?
La simetría es como un equilibrio, una igualdad o un equivalente. La materia y la antimateria parecen idénticas desde fuera, y esto es un ejemplo de simetría. El interior de sus átomos es también idéntico. Sin embargo, las cargas eléctricas han sido intercambiadas: positiva por negativa y negativa por positiva. Esto es lo que queremos decir con simetría: son idénticas excepto que las cargas eléctricas están al revés.

La materia está en todas partes, ¿pero somos capaces de obtener antimateria?
La antimateria está compuesta por antipartículas, del mismo modo que la materia está compuesta por partículas. Hace mucho tiempo que podemos hacer antipartículas individuales, como los positrones y los antiprotones, que son las versiones antipartícula de los electrones y los protones, La dificultad radica en poder controlarlos de modo que un positrón individual y un antiprotón individual moviéndose a la misma velocidad puedan atraerse mutuamente por la atracción eléctrica entre cargas opuestas y formar un átomo de antihidrógeno.
Nuestro objetivo es hacer átomos de antihidrógeno en cantidad suficiente para poder almacenarlos y excitar su espectro con calor. Después, mediante el estudio del espectro del antihidrógeno y su comparación con el espectro del hidrógeno, ver si son idénticos o si hay diferencias.
El gran misterio es si la materia y la antimateria son realmente simétricas, es decir, opuestas la una a la otra. Sabemos que se aniquilan cuando se encuentran. Entonces, si el Big Bang formó materia y antimateria en perfecto equilibrio: ¿cómo fue posible que la materia y la antimateria no se aniquilaran mutuamente reconvirtiéndose en energía y no dejando nada?

¿?
El Universo que vemos 14.000 millones de años después del Big Bang está formado por materia. Toda la antimateria ha desaparecido, así que algo pasó. Una posibilidad sería que la materia y la antimateria no fueran exactamente simétricas, que hubiera una diferencia sutil entre ellas. Si esto es así, quizás el antihidrógeno no sea exactamente lo mismo que el hidrógeno. Y quizás sus espectros sean distintos. Si encontráramos una discrepancia entre ambos espectros esto nos daría una pista. También podríamos descubrir que son completamente idénticos, en cuyo caso tenemos que reflexionar otra vez.
Básicamente no lo sabemos, en esto consiste la emoción de la ciencia, en intentar descubrirlo.

¿Qué es el famoso bosón de Higgs?
Todo los que conocemos tiene masa. Usted y yo tenemos masa, las partículas que nos constituyen tienen masa.
Sin embargo, en las ecuaciones del llamado modelo estándar [del Big Bang] aparecen bellas simetrías en ausencia de masa. Y aquí la gran pregunta: ¿es posible empezar con ecuaciones en las que no hay masa y que después la masa, de algún modo, aparezca espontáneamente procedente de la nada?
La respuesta es sí. Y el modo de hacerlo fue descubierto en 1964 por diferentes personas, entre ellas Peter Higgs. Se trata de una idea teórica que se considera correcta porque matemáticamente se obtienen bellos resultados, pero no existe ninguna prueba experimental directa de esto. Higgs fue quien se dio cuenta de que esta teoría conlleva una consecuencia adicional: la existencia de una nueva partícula que fue llamada bosón de Higgs en su nombre. De existir, sabemos que tiene que ser muy masiva, vivir poco tiempo, y decaer en partículas. Es más sencillo que se desintegre en partículas pesadas que en ligeras, si las masas de estas partículas proceden de este "mecanismo mágico".
Con el bosón de Higgs (si lo encontramos) esperamos poder testear si la masa se origina realmente con este mecanismo y, quizás, comprender por qué las partículas poseen masas específicas. Si tuvieran masas ligeramente distintas, nosotros no estaríamos aquí. De ahí que el bosón de Higgs sea tan apasionante para la Física.

¿Qué papel jugará el gran colisionador de hadrones LHC (Large Hadron Collider) en esta búsqueda?
La primera pregunta es si el bosón existe, y esto sólo la naturaleza lo sabe. Si no existe, entonces no lo vamos a encontrar. Si existe, confiamos bastante en que el LHC posea suficiente energía para crearlo. Pero el bosón vive tan poco tiempo que no lo veríamos a él sino a aquello en lo que se convierte, en lo que se desintegra.
Cada colisión en el LHC produce centenares de partículas. Entre todas ellas, quizás ocasionalmente haya residuos originados en la desintegración del bosón de Higgs. La cuestión es si somos capaces de identificar la señal del ex-bosón entre el "ruido" del resto de materia. La respuesta es que probablemente sí. La dificultad o sencillez de esta tarea dependerá de cuán masivo sea el bosón de Higgs. Si está, estoy convencido de que lo sabremos en algún momento. Si será en dos o en diez años, es otro tema.

¿Qué otros conocimientos puede aportar el LHC a la ciencia?
La gran aportación del LHC es que entra en un área antaño jamás explorada. Es como Colón viendo América cuando todavía no había desembarcado en el nuevo continente. Pudo tener alguna idea sobre lo que le esperaba, y tener razón o equivocarse.
El LHC nos está llevando a un nuevo continente, una nueva época del Universo. Y sólo la naturaleza sabe qué está esperando allí a ser descubierto.
Pensamos que podría haber partículas supersimétricas, lo que sería apasionante ya que las partículas supersimétricas más ligeras podrían tener propiedades que expliquen qué es la materia oscura. Ésta es utilizada por los cosmólogos para entender el Universo en su totalidad.
Si esto ocurriera, habría una bella síntesis entre la física de partículas, la experimentación y la cosmología a gran escala.
Espero que haya algo en lo que nadie haya pensado que revolucione completamente el siglo XXI del mismo modo que descubrir los rayos X, la radioactividad y el núcleo del átomo revolucionó el siglo XX.

¿Qué es lo que usted denomina partículas supersimétricas?
Hay algunos problemas técnicos en las ecuaciones del modelo estándar, y una de las soluciones es que haya una familia completa de partículas. Todas las partículas que conocemos tienen un gemelo especular con propiedades ligeramente distintas: giran con una cadencia distinta. El electrón tiene un compañero llamado superelectrón. El fotón tiene un compañero llamado fotino, y así sucesivamente. A estas partículas las llamamos supersimétricas. Esta simetría no puede ser exacta porque si lo fuera estas partículas serían tan ligeras como las que ya conocemos. Esta simetría debe romperse y teóricamente creemos que es rota de manera dramática por la masa. Estas superpartículas son de hecho muy pesadas y necesitamos la energía del LHC para producirlas. Todo esto puede ser o no correcto, el experimento debe decírnoslo, pero se espera que sea uno de los descubrimientos.

¿Por qué la naturaleza hace surgir simetría y antisimetría? ¿Por qué la rompe?
Somos conscientes de la simetría cuando la vemos, aunque no seamos matemáticos. El Taj Majal es un bello ejemplo de simetría. Hay cosas que no son simétricas. La ciudad donde nací tiene una catedral que da la impresión de ser simétrica cuando la miras, pero después descubres en el lado norte una torre inexistente en el lado sur. Decimos entonces que se ha roto la simetría. Este es un modo en el que la simetría se rompe: cuando en realidad no está allí.
Otro modo es cuando está escondida. Las leyes fundamentales pueden tener una cierta simetría de la que carecen los objetos a los cuales dan lugar estas leyes. Por ejemplo, la fuerza atractiva de la gravedad actúa igual en todas las direcciones, se dice que es esféricamente simétrica. El Sol, que es esféricamente simétrico, es un buen ejemplo de la esféricamente simétrica ley de la gravedad que lo está "haciendo". Pero no todas las galaxias son simétricas, por ejemplo la Vía Láctea no lo es. Así que la ley de la gravedad es esféricamente simétrica pero las galaxias espirales como la nuestra no lo son. La simetría ha sido escondida.
De qué modo y con qué mecanismos se esconde la simetría son preguntas apasionantes en muchas disciplinas científicas. Para los físicos de partículas, el bosón de Higgs y cómo las partículas generan masa son el ejemplo de simetría siendo escondida. La simetría es en este caso la simetría donde todo quiere carecer de masa y viajar a la velocidad de la luz. Y está escondida porque en el mundo real las cosas son masivas y se mueven lentamente.

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El autor

Annia Domènech es Licenciada en Biología y Periodismo. Periodista científico responsable de la publicación caosyciencia.

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