¿Podría El Mal Comportamiento De Los Neutrinos Explicar Por Qué Existe El Universo?

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¿podrían los nuevos hallazgos explicar por qué el universo está hecho de materia?

Los científicos se deleitan en explorar misterios, y cuanto más grande es el misterio, mayor es el entusiasmo. Hay muchas preguntas sin respuesta en la ciencia, pero cuando vas a lo grande, es difícil de superar "¿Por qué hay algo, en lugar de nada?"

Puede parecer una pregunta filosófica, pero es muy susceptible a la investigación científica. Dicho un poco más concretamente, "¿Por qué el universo está hecho de los tipos de materia que hacen posible la vida humana para que podamos siquiera hacer esta pregunta?" Los científicos que realizan investigaciones en Japón anunciaron una medida el mes pasado que aborda directamente las consultas más fascinantes. Parece que su medida no está de acuerdo con las expectativas más simples de la teoría actual y podría apuntar hacia una respuesta a esta pregunta atemporal.

Su medida parece decir que para un conjunto particular de partículas subatómicas, la materia y la antimateria actúan de manera diferente.

Materia v. Antimateria

Usando el acelerador J-PARC, ubicado en Tokai, Japón, los científicos dispararon un haz de partículas subatómicas fantasmales llamadas neutrinos y sus homólogos de antimateria (antineutrinos) a través de la Tierra al experimento de Super Kamiokande, ubicado en Kamioka, también en Japón. Este experimento, llamado T2K (Tokai to Kamiokande), está diseñado para determinar por qué nuestro universo está hecho de materia. Un comportamiento peculiar exhibido por los neutrinos, llamado oscilación de neutrinos, podría arrojar algo de luz sobre este problema tan desconcertante. [Los 18 mayores misterios sin resolver en la física]

Preguntar por qué el universo está hecho de materia puede sonar como una pregunta peculiar, pero hay una buena razón para que los científicos se sorprendan por esto. Es porque, además de conocer la existencia de la materia, los científicos también conocen la antimateria.

En 1928, el físico británico Paul Dirac propuso la existencia de antimateria, un hermano antagónico de la materia. Combine cantidades iguales de materia y antimateria y las dos se aniquilan entre sí, lo que resulta en la liberación de una enorme cantidad de energía. Y, debido a que los principios de la física por lo general funcionan igualmente bien a la inversa, si tiene una cantidad prodigiosa de energía, puede convertirse en cantidades exactamente iguales de materia y antimateria. La antimateria fue descubierta en 1932 por el estadounidense Carl Anderson y los investigadores han tenido casi un siglo para estudiar sus propiedades.

Sin embargo, esa frase "en cantidades exactamente iguales" es el quid del enigma. En los breves momentos inmediatamente después del Big Bang, el universo estaba lleno de energía. A medida que se expandía y se enfriaba, esa energía debería haberse convertido en partes iguales de materia y partículas subatómicas de antimateria, que deberían ser observables hoy. Y sin embargo, nuestro universo se compone esencialmente de materia. ¿Como puede ser?

Al contar la cantidad de átomos en el universo y comparar eso con la cantidad de energía que vemos, los científicos determinaron que "exactamente igual" no es del todo correcto. De alguna manera, cuando el universo tenía una décima parte de la billonésima parte de un segundo de antigüedad, las leyes de la naturaleza se desviaban ligeramente en la dirección de la materia. Por cada 3,000,000,000 de partículas de antimateria, había 3,000,000,001 partículas de materia. Los 3 mil millones de partículas de materia y los 3 mil millones de partículas de antimateria se combinaron y se aniquilaron nuevamente en energía, dejando el ligero exceso de materia para formar el universo que vemos hoy.

Desde que se entendió este enigma hace casi un siglo, los investigadores han estado estudiando la materia y la antimateria para ver si pueden encontrar un comportamiento en partículas subatómicas que explique el exceso de materia. Confían en que la materia y la antimateria se producen en cantidades iguales, pero también han observado que una clase de partículas subatómicas llamadas quarks presentan comportamientos que favorecen ligeramente a la materia sobre la antimateria. Esa medida particular fue sutil, involucrando una clase de partículas llamadas mesones K que pueden convertirse de la materia a la antimateria y viceversa. Pero hay una ligera diferencia en la conversión de materia a antimateria en comparación con lo contrario. Este fenómeno fue inesperado y su descubrimiento condujo al premio Nobel de 1980, pero la magnitud del efecto no fue suficiente para explicar por qué la materia domina en nuestro universo.

Vigas fantasmales

Así, los científicos han centrado su atención en los neutrinos, para ver si su comportamiento puede explicar el exceso de materia. Los neutrinos son los fantasmas del mundo subatómico. Interactuando solo a través de la fuerza nuclear débil, pueden pasar a través de la materia sin interactuar casi en absoluto. Para dar un sentido de escala, los neutrinos se crean más comúnmente en reacciones nucleares y el reactor nuclear más grande alrededor es el Sol. Protegerse de la mitad de los neutrinos solares tomaría una masa de plomo sólido de unos 5 años luz de profundidad. Los neutrinos realmente no interactúan mucho.

Entre 1998 y 2001, una serie de experimentos, uno con el detector Super Kamiokande y otro con el detector SNO en Sudbury, Ontario, demostraron definitivamente que los neutrinos también presentan otro comportamiento sorprendente. Cambian su identidad.

Los físicos conocen tres tipos distintos de neutrinos, cada uno asociado con un único hermano subatómico, llamado electrones, muones y taus. Los electrones son lo que causa la electricidad y las partículas de muón y tau son muy parecidas a los electrones, pero más pesadas e inestables.

Los tres tipos de neutrinos, llamados neutrinos electrónicos, neutrinos muones y neutrinos tau, pueden "transformarse" en otros tipos de neutrinos y volver a aparecer. Este comportamiento se llama oscilación de neutrinos.[Física loca: las pequeñas partículas más frescas de la naturaleza]

La oscilación de neutrinos es un fenómeno cuántico único, pero es más o menos análogo a comenzar con un tazón de helado de vainilla y, después de ir a buscar una cuchara, vuelve a encontrar que el tazón es mitad vainilla y mitad chocolate. Los neutrinos cambian su identidad de ser enteramente de un tipo, a una mezcla de tipos, a un tipo completamente diferente, y luego regresan al tipo original.

Oscilaciones antineutrinos

Los neutrinos son partículas de materia, pero también existen neutrinos de antimateria, llamados antineutrinos. Y eso lleva a una pregunta muy importante. Los neutrinos oscilan, pero ¿los antineutrinos también oscilan y oscilan exactamente de la misma manera que los neutrinos? La respuesta a la primera pregunta es sí, mientras que la respuesta a la segunda pregunta no se conoce.

Consideremos esto un poco más a fondo, pero de manera simplificada: supongamos que solo hay dos tipos de neutrinos: muón y electrón. Supongamos además que tienes un haz de neutrinos de tipo puramente muónico. Los neutrinos oscilan a una velocidad específica y, como se mueven cerca de la velocidad de la luz, oscilan en función de la distancia desde donde se crearon. Por lo tanto, un haz de neutrinos muones puros se verá como una mezcla de tipos de muones y electrones a cierta distancia, luego tipos de electrones puros a otra distancia y luego regresará solo a los muones. Los neutrinos antimateria hacen lo mismo.

Sin embargo, si los neutrinos de materia y antimateria oscilan a ritmos ligeramente diferentes, usted esperaría que si estuviera a una distancia fija del punto en el que se creara un haz de neutrinos muones puros o antineutrinos muones, entonces en el caso de los neutrinos vería una mezcla de neutrinos de muones y electrones, pero en el caso de los neutrinos de antimateria, vería una mezcla diferente de neutrinos de muones y de electrones de antimateria. La situación real se complica por el hecho de que hay tres tipos de neutrinos y la oscilación depende de la energía del haz, pero estas son las grandes ideas.

La observación de diferentes frecuencias de oscilación por neutrinos y antineutrinos sería un paso importante hacia la comprensión del hecho de que el universo está hecho de materia. No es toda la historia, porque también deben mantenerse nuevos fenómenos adicionales, pero la diferencia entre la materia y los neutrinos de antimateria es necesaria para explicar por qué hay más materia en el universo. [5 partículas misteriosas que pueden acechar debajo de la superficie de la Tierra]

En la teoría actual que describe las interacciones de los neutrinos, existe una variable que es sensible a la posibilidad de que los neutrinos y los antineutrinos oscilen de manera diferente. Si esa variable es cero, los dos tipos de partículas oscilan a velocidades idénticas; Si esa variable difiere de cero, los dos tipos de partículas oscilan de manera diferente.

Cuando T2K midió esta variable, encontraron que era inconsistente con la hipótesis de que los neutrinos y los antineutrinos oscilan de manera idéntica. Un poco más técnicamente, determinaron un rango de valores posibles para esta variable. Hay un 95 por ciento de probabilidad de que el valor verdadero de esa variable esté dentro de ese rango y solo un 5 por ciento de que la verdadera variable esté fuera de ese rango. La hipótesis de "no diferencia" está fuera del rango del 95 por ciento.

En términos más simples, la medición actual sugiere que los neutrinos y los antimalteres de antimateria oscilan de manera diferente, aunque la certeza no se eleva al nivel para hacer una afirmación definitiva. De hecho, los críticos señalan que las mediciones con este nivel de significación estadística deben considerarse muy, muy escépticas. Pero sin duda es un resultado inicial enormemente provocativo, y la comunidad científica mundial está extremadamente interesada en ver estudios mejorados y más precisos.

El experimento T2K continuará registrando datos adicionales con la esperanza de realizar una medición definitiva, pero no es el único juego en la ciudad. En Fermilab, ubicado en las afueras de Chicago, un experimento similar llamado NOVA está disparando neutrinos y antimaterios al norte de Minnesota, con la esperanza de vencer a T2K. Y, mirando más hacia el futuro, Fermilab está trabajando arduamente en lo que será su experimento estrella, llamado DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), que tendrá capacidades muy superiores para estudiar este importante fenómeno.

Si bien el resultado de T2K no es definitivo y se requiere precaución, ciertamente es tentador. Dada la enormidad de la pregunta de por qué nuestro universo parece no tener una antimateria apreciable, la comunidad científica del mundo esperará ávidamente nuevas actualizaciones.

Publicado originalmente en WordsSideKick.com.

Don Lincoln es un investigador de física en Fermilab. Es el autor de "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of Higgs Boson y otras cosas que harán volar tu mente" (Johns Hopkins University Press, 2014), y produce una serie de videos sobre educación científica. Síguelo en Facebook. Las opiniones expresadas en este comentario son suyas.

Don Lincoln contribuyó con este artículo a WordsSideKick.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.

¿Podría El Mal Comportamiento De Los Neutrinos Explicar Por Qué Existe El Universo?

FAQ - 💬

❓ ¿Qué plantea la teoría de los neutrinos estériles sobre el origen del universo?

👉 Esta teoría implica la existencia de neutrinos estériles, que si fueran ligeros (de unos 10 KeV de masa) podrían ser candidatos a materia oscura y resolver la mayoría de los problemas actuales de la física de partículas.

❓ ¿Cómo se comportan los neutrinos?

👉 Los neutrinos, que son partículas sin carga eléctrica, pueden interaccionar con otras partículas y “adquirir carga” en el proceso, y entonces se transforman en el correspondiente leptón cargado según cuál sea su sabor.

❓ ¿Cuál es la importancia de los neutrinos?

👉 Los neutrinos podrían ayudar a resolver grandes enigmas como el de la materia oscura, de la que se compone el 80% del universo pero no se sabe qué es. "Es probable que la materia oscura se acumule en sitios como el centro de nuestra galaxia o el Sol.

❓ ¿Qué es más rápido los neutrinos o la luz?

👉 La medición del tiempo que les toma a los neutrinos llegar desde CERN demuestra que entran 60 nanosegundos antes de lo esperado, lo que indicaría que estos neutrinos se mueven más rápido que la luz. Esta medición pone en jaque uno de los pilares fundamentales de la física moderna: La Relatividad Especial.

❓ ¿Qué teoría sostiene que el universo no tiene ni principio ni fin?

👉 Teoría del Estado Estacionario o de Creación Continua.Según esta teoría supone que: El universo no tiene un génesis ni un final. El universo no se creó ni se destruyó. El universo siempre ha existido.

❓ ¿Qué teoría nos menciona que el universo es una entidad que no tiene principio ni fin?

👉 Teoría del estado estacionario - Wikipedia, la enciclopedia libre.


Suplemento De Vídeo: ¿Qué son las Teorías de Gran Unificación?.




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