Por qué ‘fábricas de belleza’ podría resolver dos misterios cosmológicos masivos

¿Sabías que, en física, tenemos fábricas de belleza? Esto no tiene nada que ver con el arte o el glamour. En cambio, estoy hablando de experimentos donde los electrones y sus contrapartes antimateria, los positrones, se chocan juntos para producir partículas llamadas Mesones B.

Estos están hechos de quarks, las partículas subatómicas que se encuentran dentro de la materia ordinaria. Pero si bien este asunto se compone casi exclusivamente de electrones, quarks y quarks bajos, un B meson está formado por un antiquark de belleza y un quark, abajo, encanto o un quark extraño.

Este maquillaje le da a B Mesons una existencia extremadamente corta, muy alejada de la vida diaria, por lo que puede preguntarse por qué alguien se molestaría en dedicar instalaciones completas que ahora llamamos f fábricas para hacerlas. La respuesta es que B Mesons puede ayudarnos a resolver un gran misterio del universo: por qué hay más materia que antimateria.

Sabemos que cada tipo de partícula tiene una antipartícula, pero cuando miramos el universo, en su mayoría vemos partículas, no antipartículas. Entonces el universo aparece lleno de electrones, pero no de positrones, idénticos a los electrones, pero con una carga opuesta.

Los mesones son interesantes porque existen entre la materia que es abundante en el universo y la antimateria, lo cual no lo es. Como tal, podemos explotarlos para aprender más sobre la asimetría entre la materia y la antimateria. Comprender esto explicaría por qué hay algo duradero en el universo, ya que la materia y la antimateria tienden a aniquilar en contacto. Creamos fábricas B porque pueden ayudarnos a explicar por qué el universo no está vacío.

Las cosas se vuelven aún más complejas cuando considera que los Mesons también tienen sus propias contrapartes de antimateria. Cada B Antimson está hecho de un quark de belleza y un antiquark hacia arriba, abajo, encanto o extraño. En el caso de los mesones B hechos con quarks extraños o bajos (conocidos como neutrales porque no tienen carga eléctrica), las partículas oscilan entre ser mesones y antimessons. En otras palabras, los mesones neutrales B son espontáneamente no binarios.

Son estos mesones b neutrales los clave para comprender la asimetría de la materia y la antimateria. Aunque su naturaleza no binaria es una predicción del modelo estándar de física de partículas (que cataloga cada partícula jamás), podemos buscar si las oscilaciones son exactamente la mitad y la mitad. ¿Son las partículas que hacemos por primera vez en las colisiones más propensas a ser Mesons o Antimesson? Si hubiera una asimetría en estas oscilaciones, esto podría explicar la asimetría de materia y antimateria.

En 2010, los investigadores de la colaboración de Fermilab Dzero afirmaron ver una diferencia del 1 por ciento, pero ningún otro trabajo ha confirmado este resultado. La posibilidad sigue siendo intrigante, especialmente porque la investigación que no implica oscilaciones ha observado definitivamente diferencias.

Las fábricas B también pueden ayudarnos a comprender algo que estamos ciertos existe, pero nunca hemos visto en el laboratorio: la materia oscura. Puede recordar que esta materia oscura se ha detectado observando su impacto gravitacional en la materia visible. Estamos bastante seguros de que alrededor del 85 por ciento de la materia del universo es esta cosa invisible, pero que debe explicarse por el modelo estándar.

Formular una teoría para explicar la materia oscura significa hipótesis de una nueva partícula o partículas. Algunos de ellos pueden interactuar con las partículas existentes de manera difícil de detectar. El mecanismo que permite estas interacciones a menudo se conoce como mediador. Dado que los mediadores también son difíciles de detectar, esto suena desesperado. Pero si bien es posible que nunca veamos a un mediador directamente, dadas las condiciones correctas, podemos esperar ver las partículas en las que se descomponen, como los pares de electrones-postrones. Aquí es donde las fábricas B pueden ayudar: están diseñadas para aislar los productos de las colisiones de electrones-postrones (los productos de la materia y la colisionada de antimateria).

Como alguien fuera de la física de colider, creo que una de las cosas más interesantes de esta investigación es cómo mantiene vivos los experimentos mucho después de que dejen de generar datos. Por ejemplo, el experimento BABAR en el Laboratorio Nacional Acelerador de SLAC, cerca del Valle de Silicon, se cerró en 2008, pero los investigadores todavía están examinando los datos y lo usan, incluso para educar a la próxima generación de físicos.

En 2022, Brian Shuve en el Harvey Mudd College, cerca de Los Ángeles, y un equipo de pregrado probaron una nueva idea contra los datos de Babar de casi 20 años. Escuché sobre esto porque, entre otras cosas, la idea propone que una partícula hipotética llamada Axion actuaría como el mediador entre la materia visible y la materia oscura. Los lectores regulares pueden recordar que mi investigación principal son las axiones como materia oscura.

Entonces, ¿cualquiera de estos escenarios (los míos o los de Shuve) capturan cómo funciona realmente nuestro universo? Es posible que nos enteremos como parte del esfuerzo por comprender la asimetría de la materia y la antimateria.