El 24 de marzo, durante la conferencia anual Rencontres de Moriond que se celebra en La Thuile, Italia, la colaboración LHCb del CERN anunció un nuevo hito en la comprensión de las diferencias sutiles pero profundas entre la materia y la antimateria. Este avance tiene importantes implicaciones para la física de partículas y para la comprensión del universo.
En su análisis de grandes cantidades de datos producidos por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el equipo internacional encontró evidencia abrumadora de que las partículas conocidas como baryones, como los protones y neutrones que componen los núcleos atómicos, están sujetas a una asimetría espejo en las leyes fundamentales de la naturaleza que provoca un comportamiento divergente entre la materia y la antimateria.
La violación de la simetría CP y su relevancia
Este descubrimiento ofrece nuevas vías para abordar por qué las partículas elementales que constituyen la materia se agrupan en los patrones ordenados descritos por el Modelo Estándar de la física de partículas, y para explorar por qué, aparentemente, la materia prevaleció sobre la antimateria tras el Big Bang. El documento relacionado está disponible en el servidor de preprints arXiv.
La violación de la simetría de carga-paridad (CP) fue observada por primera vez en la década de 1960 en una clase de partículas llamadas mesones, que están formadas por un par de quark-antiquark. Aunque se esperaba que la otra clase principal de partículas conocidas, los baryones, que están compuestos por tres quarks, también presentaran este fenómeno, experimentos como el LHCb solo habían detectado indicios de violación de CP en baryones hasta ahora.
El portavoz del LHCb, Vincenzo Vagnoni, explicó: «La razón por la que tardamos más en observar la violación de CP en baryones en comparación con los mesones se debe al tamaño del efecto y a los datos disponibles. Necesitábamos una máquina como el LHC capaz de producir un número suficiente de baryones beauty y sus contrapartes de antimateria, y un experimento en esa máquina que pudiera localizar con precisión sus productos de descomposición. Nos tomó más de 80,000 desintegraciones de baryones para ver la asimetría materia-antimateria con esta clase de partículas por primera vez.»
Los físicos saben que las partículas tienen una masa idéntica y cargas opuestas con respecto a sus contrapartes de antimateria. Sin embargo, cuando las partículas transforman o decaen en otras partículas, como ocurre durante la desintegración radiactiva de un núcleo atómico, la violación de CP provoca una ruptura en esta simetría espejo. Este efecto se puede manifestar en una diferencia entre las tasas a las que las partículas y sus contrapartes de antimateria se descomponen en partículas más ligeras, lo cual los físicos pueden registrar utilizando detectores altamente sofisticados y técnicas de análisis de datos.
La colaboración LHCb observó la violación de CP en un primo más pesado y de vida corta de los protones y neutrones, conocido como baryón beauty-lambda (Λb), que está compuesto por un quark up, un quark down y un quark beauty. Primero, examinaron los datos recopilados por el detector LHCb durante las primeras y segundas corridas del LHC (que duraron desde 2009 hasta 2013 y desde 2015 hasta 2018, respectivamente) en busca de la descomposición de la partícula Λb en un protón, un kaón y un par de piones de carga opuesta, así como la descomposición correspondiente de su contraparte de antimateria, el anti-Λb. Luego contaron el número de descomposiciones observadas de cada una y tomaron la diferencia entre las dos.
El análisis demostró que la diferencia entre el número de descomposiciones de Λb y anti-Λb, dividida por la suma de ambos, difiere en un 2.45% de cero con una incertidumbre de aproximadamente 0.47%. Estadísticamente hablando, el resultado difiere de cero en 5.2 desviaciones estándar, lo que supera el umbral requerido para afirmar que se ha observado la existencia de violación de CP en esta descomposición de baryones.
Aunque se ha esperado durante mucho tiempo que exista violación de CP entre los baryones, las complejas predicciones del Modelo Estándar de la física de partículas aún no son lo suficientemente precisas como para permitir una comparación exhaustiva entre la teoría y la medición del LHCb. Curiosamente, la cantidad de violación de CP predicha por el Modelo Estándar es muchos órdenes de magnitud demasiado pequeña para explicar la asimetría materia-antimateria observada en el universo. Esto sugiere la existencia de nuevas fuentes de violación de CP más allá de las previstas por el Modelo Estándar, cuya búsqueda es una parte importante del programa de física del LHC y continuará en futuros colisionadores que puedan sucederlo.
Vagnoni concluyó: «Cuantos más sistemas en los que observemos violaciones de CP y más precisas sean las mediciones, más oportunidades tendremos para poner a prueba el Modelo Estándar y buscar física más allá de él. La primera observación de la violación de CP en una descomposición de baryones abre la puerta a futuras investigaciones teóricas y experimentales sobre la naturaleza de la violación de CP, ofreciendo potencialmente nuevas restricciones para la física más allá del Modelo Estándar.»
Joachim Mnich, Director de Investigación y Computación del CERN, también expresó su entusiasmo por el hallazgo: «Felicito a la colaboración LHCb por este emocionante resultado. Subraya nuevamente el potencial científico del LHC y sus experimentos, ofreciendo una nueva herramienta con la que explorar la asimetría materia-antimateria en el universo.»
