Se supone que nuestro universo no existe, pero poco a poco estamos aprendiendo por qué existe

Probablemente estés familiarizado con la siguiente historia: hace 13.800 millones de años, el Big Bang dio lugar a las estrellas y las galaxias, lo que dio lugar a los planetas y la vida y, finalmente, a ti y a mí. Pero hay una brecha evidente en esta crónica, una abertura tan grande que resolverla sacudiría nuestro conocimiento de la realidad.

“Si seleccionamos, en principio, las mejores teorías físicas… tendríamos que concluir que el universo, tal como lo observamos, no puede existir”, dijo Stefan Ulmer, físico del Experimento de Simetría Baryon Antibaryon dirigido por RIKEN en el Consejo Europeo. para la Investigación Nuclear.

Pero… aquí estamos jugando Wordle y pagando impuestos, así que nuestras leyes de la física están equivocadas o nos faltan piezas enormes del rompecabezas metafísico.


Entre el ejército de científicos que buscan esas piezas, Ulmer ha pasado años estudiando la semilla de la crisis existencial de nuestro universo: la antimateria. En un artículo publicado el miércoles en la revista Nature, informa una actualización: la antimateria no reacciona a la gravedad de manera diferente a como lo hace la materia normal.

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No se preocupe si eso último pasó por encima de su cabeza, todo se juntará.

Primero, ¿qué es la antimateria?

Todo, desde el sol hasta el dispositivo sobre el que estás leyendo este artículo, está compuesto de la materia normal que conocemos y amamos, compuesta de átomos construidos con protones positivos y electrones negativos. El Big Bang dio origen a todo este asunto, y el resto es literalmente historia.

Aquí está la parte extraña: nuestro universo también contiene una pequeña cantidad de antimateria, compuesta de átomos construidos con negativo protones y positivo electrones Es como el niño rebelde del Big Bang.

Tanto la materia como la antimateria están formadas por átomos similares a este. Los protones (y los neutrones) están en el centro, y los electrones nadan en las capas exteriores. La antimateria solo tiene cargas opuestas.

Imágenes de KTSDesign/Getty

Estos dos también tienen una grieta. Cuando entran en contacto, se aniquilan totalmente entre sí debido a sus cargas opuestas. Incluso cuando los científicos crean antimateria para los experimentos, las partículas enérgicas deben permanecer en el vacío porque una partícula de antimateria en un entorno de materia normal inmediatamente haría “puf”.

Esta incompatibilidad se reduce a un enorme problema existencial, y no es solo que no podamos encontrarnos con nuestra contraparte de antimateria algún día sin básicamente explotar.

Debería haber habido una guerra de partículas.

Los físicos utilizan dos marcos principales para explicar el comportamiento de las partículas: el modelo estándar de la física de partículas y la teoría relativista de campos cuánticos. Cada uno es súper sólido por derecho propio, y combinarlos conduce a un resultado desconcertante.

La materia y su archienemigo son dos caras de la misma moneda.

“La arquitectura del espacio y el tiempo básicamente implica que la materia y la antimateria son, en principio, exactamente simétricas”, dijo Ulmer, “lo que significa que tienen las mismas masas, tienen cargas opuestas, momentos magnéticos opuestos y así sucesivamente”.

Si eso es cierto, el Big Bang debería haber tenido una probabilidad del 50/50 de formar cualquiera de los dos. Y si hubiera ocurrido una distribución 50/50, la antimateria y la materia deberían haberse destruido por completo entre sí. (¿Recuerdas la grieta?) Con tal guerra de partículas, el universo no habría ningún importar. El espacio no albergaría un sol o una Tierra, y seguramente carecería de humanidad. Solo un tipo de energía sobrante habría permanecido después de la batalla.

Pero el sol, la Tierra y los humanos existen.

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La Tierra vista desde la Luna en 1969.

NASA

Por alguna razón, el universo exhibe varios órdenes de magnitud más de materia que de antimateria, un enigma cósmico conocido como asimetría bariónica, el mismo nombre del laboratorio de Ulmer. ¿Desapareció la antimateria generada por el Big Bang? ¿Nunca hubo ninguno para empezar?

“No entendemos el origen de la asimetría de la materia y la antimateria”, lo expresa simplemente Ulmer.

La parte donde se junta

Debido a que la predicción del modelo estándar de una distribución de tipo de materia 50/50 se basa en que las partículas sean exactamente simétricas, el misterio finalmente puede resolverse si encontramos una manera de romper el supuesto paralelo.

“Si, digamos, el protón fuera un poco más pesado que el antiprotón, eso explicaría inmediatamente por qué hay más materia que antimateria”, dijo Ulmer. Eso aclararía bastante por qué existe el universo.

Volvamos a los resultados del estudio de Ulmer: tanto la materia como la antimateria responden a la gravedad de la misma manera, descartando algunas opciones en el libro mayor de posibles violaciones de simetría.

Ta-da, te dije que vendría bien.

Una sinfonía de protones

El experimento de Ulmer comenzó con un dispositivo fascinante llamado trampa de Penning, un pequeño artilugio de metal que detecta la frecuencia de ciclotrón de una partícula, o la frecuencia a la que algo se mueve en un campo magnético.

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Una imagen de la trampa Penning de Ulmer.

BASE

Los investigadores colocaron un antiprotón producido en laboratorio en el interior y midieron su frecuencia de ciclotrón, luego introdujeron un ion de hidrógeno cargado negativamente y midieron el mismo parámetro. (Ulmer usó un ion de hidrógeno con carga negativa, o un átomo con un protón y dos electrones, como representante de la materia normal porque coincidía con la carga negativa del antiprotón).

Es más fácil pensar en el experimento en términos de música.

El sistema de captación de la trampa Penning, dice Ulmer, es similar al de una guitarra eléctrica. “Es, en ese sentido, un experimento muy musical”, explicó, siendo él mismo un guitarrista.

“El rango de frecuencia es un poco diferente, pero estamos escuchando el sonido de lo que no existe en el universo”, agregó. “Con nuestra capacidad actual de escuchar, [matter and antimatter] sonar idéntico”.

Las partículas tocan la misma melodía, por así decirlo, lo que también significa que tienen las mismas notas musicales. Es decir, las frecuencias de ciclotrón de estas partículas eran las mismas, al igual que muchas de sus propiedades resultantes, como la relación carga-masa. Todo de estas similitudes ahora se eliminan de la lista de posibles violaciones de simetría materia-antimateria.

El espacio como laboratorio

Pero el objetivo final de los investigadores era usar sus datos de frecuencia de ciclotrón y ver si la canción de antimateria cambia junto con los ajustes en un campo gravitacional. Específicamente, probaron si el principio de equivalencia débil de Einstein, cierto para la materia normal, funciona en la antimateria.

El principio de Einstein establece que cualquier objeto en un campo gravitatorio se comporta independientemente de sus propiedades intrínsecas. Por ejemplo, un piano y una pluma caerían a la Tierra con la misma aceleración en ausencia de fuerzas externas como el viento.

Intuitivamente, podríamos suponer que las cargas opuestas de la antimateria la obligarían a “caer”, o al menos a tener alguna variación en el comportamiento.

Para esta faceta del experimento, Ulmer aprovechó algunos equipos de laboratorio cósmico: la Tierra y el sol. “Como la Tierra orbita alrededor del sol en una órbita elíptica”, dijo Ulmer, “el potencial gravitatorio en nuestro laboratorio cambia en función del tiempo”.

Entonces, él y su equipo de investigación midieron las frecuencias de ciclotrón, también conocidas como melodías, tanto del antiprotón como de los iones de hidrógeno negativos en diferentes momentos. Después de 24 000 comparaciones, concluyeron que ambos tipos de partículas reaccionaron de la misma manera, con una certeza muy, muy alta.

Voila, el principio de Einstein funciona con la antimateria. De hecho, no cae hacia arriba.

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Un gráfico que detalla los puntos de tiempo en los que el equipo de Ulmer midió sus partículas.

stefano ulmer

“Seguiremos mejorando el microscopio para estar seguros”, dijo Ulmer, y “si encontramos algo inesperado en estos experimentos, esto cambiaría nuestra comprensión fundamental de las leyes de la naturaleza”.

Consecuencias filosóficas de la antimateria

Por el bien del argumento, supongamos que alguien finalmente encuentra una discrepancia entre la antimateria y la materia. ¿Qué podría significar eso para nosotros?

Violar la simetría materia-antimateria significaría violar un fenómeno mayor llamado invariancia CPT. C representa cargo, P paridad y T tiempo. En pocas palabras, la regla establece que si alguna de estas cosas se invirtiera, el universo seguiría siendo fundamentalmente el mismo. Si el tiempo retrocediera en lugar de avanzar, si todo fuera a la izquierda en lugar de a la derecha y, lo adivinaste, si toda la materia tuviera la carga opuesta, el mundo no cambiaría.

Si encontráramos que la antimateria no es lo mismo que la materia normal, se violaría C. Y si se viola la invariancia de CPT, entonces la causalidad, dicen los científicos, puede que ya no se mantenga. “Creo que esto tal vez conduciría a un cambio más filosófico en nuestro pensamiento”, dijo Ulmer. “Comparable a lo que sucedió en la década de 1920 cuando se desarrolló la mecánica cuántica”.

Y agregó: “Hasta ese momento, la gente pensaba que todo es determinista. En la teoría cuántica, las cosas ya no pueden ser deterministas por definición, por lo que esto cambia la forma en que las personas se entienden a sí mismas”.

Aún más desconcertante es darse cuenta de que debido a que el universo parece existir, ya sabemos que la antimateria está tramando algo. En cierto sentido, ya sabemos que tendremos que ajustar nuestra perspectiva de la realidad.

Solo estamos esperando el momento adecuado.

California Corresponsal

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