Regístrate | Conectar
El Tamiz Libros Recursos Series Únete 19 Users Online
Skip to content

Biografía del Universo 08: De materia y antimateria: Un poco de teoría II




Al final de la entrada anterior de esta serie sobre la vida de nuestro Universo nos habíamos permitido lanzar un largo suspiro con el que abrir un descanso, ya que las pinceladas de necesaria teoría que habíamos trazado acerca de la materia y sus interioridades habían cubierto un espacio más que suficiente. Sobre todo pensando en lo que quedaba y que, si estáis con apetito, os vais a encontrar en las líneas de más abajo. Prometí hablar del científico que planteó las bases técnicas sobre las que se debía apoyar cualquier estudio sobre la antimateria. Y aquí va.

“Danke, Andrej Sacharow”, mural en homenaje a Andréi Sájarov pintado en 1990 sobre el muro de Berlín (Wikimedia, CC BY-SA 3.0 de)

Hace más de 40 años, y aún son válidos hoy en día, el físico Andréi Sájarov[1] propuso los principios que tenía que contener la Física que podrían explicar la asimetría de partículas y, como consecuencia, la abrumadora existencia de materia frente a la antimateria.[2] En líneas generales, dijo que a altas energías se debían dar procesos simétricos de generación de bariones y de antibariones, en tanto en cuanto se crearían el mismo número de unos que de otros, formándose así un universo numéricamente equilibrado respecto a ambos tipos de partículas. Sin embargo, entre todas estas interacciones alguna, o algunas, tenían que violar este equilibrio. De todas formas, esta violación debería ser muy ligera, debido al hecho de que las interacciones que violan el número bariónico podrían intervenir en la desintegración del protón. Y sabemos que el protón es superestable.[3]

Como consecuencia de lo anterior, el que en algún proceso se incumplieran ligeramente las reglas de la simetría justifica la segunda condición de Sájarov. En particular se refería a las reglas de la simetría CP -de carga y de inversión especular espacial-: la C cambia partículas por antipartículas y la P, coordenadas espaciales positivas por negativas, que en el fondo supone poder cambiar el sentido del espín de las partículas.[4]  Si se cumplen ambas simetrías combinadas, lo único que hacen las interacciones que modifican a los bariones es cambiar elementos de “estantería” -unos bariones por otros-, aunque siempre manteniendo el equilibrio entre unos y otros. Por ello hay que postular una rotura de esta simetría para comprender la realidad de una bariogénesis a favor de un bando de bariones.[5]

Sájarov aún pensó en una tercera condición: la bariogénesis se tuvo que producir en algún momento en que el Universo no estuviera en una situación de equilibrio térmico. Eso es así ya que, en equilibrio térmico, el mismo número de partículas-antipartículas que se crean por pares desaparecen por pares, manteniendo así sus familias y proporciones. Para romper esta situación en algún momento se tiene que abrir una válvula de escape de antimateria en la olla perpetua del equilibrio térmico.

Dicho lo anterior había que remangarse, ponerse a trabajar y encontrar evidencias teóricas o experimentales que demostraran que estas tres condiciones se dan -mejor: se dieron- en algún momento. Las observaciones nos han asegurado que en el Universo se dan determinadas reacciones de aniquilación –por ejemplo, entre unas partículas llamadas kaones-[6] en las que se viola la simetría CP. Pero también se piensa que no explicarían la bariogénesis, ya que se tratan de reacciones muy débiles. Desde la física del Modelo Estándar, o también del modelo de la Supersimetría o de las teorías de cuerdas, se apuntan otras posibilidades que aún están muy lejos de ser comprobadas.[7]

Como puede aclarar nuestras ideas sobre el tema, paso a exponer brevemente uno de los casos expuestos por estas físicas-matemáticas basado en la teoría de la gran unificación (GUT), que postula la existencia a altas energías -y por tanto en el inicio de la vida del universo- de bosones muy masivos nombrados como bosones X e Y.[8] Estos bosones se desintegran a altas temperaturas en bariones y leptones, según las ecuaciones que siguen,

→   (51% de las desintegraciones)  quark up + quark up        ;        X  →  (49% de las desintegraciones)  positron + + antiq down

antiX  →  (49% de las desintegraciones)  antiq up + antiq up         ;         antiX  →  (51% de las desintegraciones)  electron- + quark down

pero al hacerlo así dejan más quarks que antiquarks. En cada una de las parejas de desintegraciones se producen quarks de distintos tipos según el porcentaje indicado. Del análisis de las anteriores parejas de reacciones podemos deducir que tras cien desintegraciones de ambas, eliminando la materia y la antimateria resultante homóloga, que se aniquilarán mutuamente, nos va a quedar (contando sólo las partículas bariónicas):

2 [quark up + quark up] + 2 quark down

Como los protones están formados por dos quark up y un quark down y a la vista del resultado anterior, podemos asegurar que por cada cien interacciones de un tipo más cien interacciones del otro tendremos como resultante a dos protones de materia que no tienen compañeros de antimateria. En las ideas de Sájarov podemos encontrar entonces una posible explicación de porqué observamos exclusivamente materia y no antimateria, y por qué hay tanta divergencia numérica entre la materia y la radiación.

Ahora ya podemos seguir tranquilos nuestra historia sabiendo -suposición absolutamente teórica- que el trabajo de los bosones X es el que ha modelado el universo. En resumen: los bosones X en su desintegración no cumplían al pie de la letra la simetría CP, de forma que generaban un escasísimo porcentaje más de materia que de antimateria. Pero ello fue trascendente mucho más tarde gracias al impulso de la inflación, separando a las parejas materia-antimateria y restándoles energía cinética con el enfriamiento, de forma que se iban encontrando muy poco a poco, aniquilándose, dejando como balance un pequeño poso dominante de partículas de materia, la base de lo que luego será la que hoy percibimos y la que intuimos: materia luminosa como contrapuesta a materia oscura.

Nota: Teoría complementaria sobre la aparición de materia

Antes de acabar esta entrada voy a plantear un tema que creo va a permitir arrojar un poco de razonamiento intuitivo al comportamiento de partículas y energía en el plasma que constituía el universo de los primeros minutos ¡y años!, que nos ayudará a comprender los procesos de condensación -nacimiento a partir de la energía de la radiación- de las partículas.

Para crear una determinada cantidad de masa de materia se requiere una determinada energía, según la relación E = mc2. Energía que en parte puede ser utilizada para imprimir un movimiento a la partícula nueva. Para una determinada energía media del Universo en teoría se pueden crear cualquier tipo de partículas, siempre que el equivalente energético de sus masas sea inferior al nivel energético del momento. Así, a muy altas energías, podrían crearse por choque entre partículas de radiación -fotones- pares de partícula/antipartícula de gran masa que se moverían a velocidades lentas, o bien podrían aparecer las de pequeña masa con grandes velocidades. La contrapartida a la creación de pares es su aniquilación, partícula contra antipartícula, devolviendo radiación al Universo. Y esto es un proceso continuo que sucede sin tregua hasta que el progresivo enfriamiento del Universo debido a su expansión le lleva al nivel de temperatura de condensación de cada partícula, precisamente cuando el nivel de energía medio es igual al de la masa de la partícula. Por debajo de este punto ya no hay suficiente energía para crearlas, perdiendo progresivamente su población debido a los procesos de aniquilación materia/antimateria. Al final van a quedar muy pocas, aunque a ellas deberíamos sumarles las que saltan por brevísimos instantes desde el vacío por causa de los procesos cuánticos (ver la siguiente figura).

¿En qué momento llega la energía de condensación? En el momento en que el Universo, en su expansión, alcanza la temperatura fijada por la siguiente ecuación:

Temperatura  =  Energía de condensación/constante de Boltzman

En resumen, y generalizando, podríamos decir que en la vida de cada partícula hay dos etapas.

La primera, cuando en el intervalo de energías adecuadas se encuentra en equilibrio térmico con su antipartícula y con la radiación, que precisamente es lo que indica la siguiente igualdad si suponemos que transcurría igual de derecha a izquierda que de izquierda a derecha:

Fotón + fotón  ↔  partícula + antipartícula    [1]

Y la segunda etapa, que comenzaría en la frontera energética fijada por la siguiente igualdad:

Energía de la radiación   =   masa de la partícula / (velocidad de la luz)  =   energía de condensación de la partícula

momento en que la ecuación [1] anula su camino de izquierda a derecha, quedando en exclusiva el inverso, hasta que sólo quede el pequeño número de partículas consecuencia del exceso inicial de materia frente a antimateria.

Esquema de lo explicado en el texto acerca de la condensación de una partícula P. Desde una fase caliente en donde se encuentra en equilibrio térmico con su antipartícula y la radiación, tras pasar la barrera energética de su condensación llega a una fase fría en donde finaliza la aniquilación, quedando sólo los fotones de la radiación y la materia residual surgida en la asimetría con la antimateria.

Así que, a medida que desciende la temperatura del Universo, que es lo mismo que descender su energía, se iban consolidando las partículas elementales que hoy nos rodean, desde las de mayor masa a las de menor. Y estamos hablando fundamentalmente de los quarks, de los fermiones -electrones, muones, tauones y neutrinos- y de los bosones con masa –pión y los tres débiles-.

Para llegar a condensarse las que llamaremos partículas compuestas, fundamentalmente protones y neutrones formados por tres quarks, y en consonancia con lo que hemos dicho, habrá que esperar a que el nivel de energía baje lo suficiente, pero no demasiado, para que permita actuar a la fuerza nuclear fuerte que los une con sus gluones. Protones y neutrones deben tener una velocidad muy ajustada entre una alta, que les haría rebotar una partícula con otra, y una baja, que no las aproximaría lo suficiente como para que actuaran los bosones de la interacción nuclear fuerte. Así que no sólo necesitaba el Universo el nivel energético adecuado para expresar su materia más elemental, sino también para poder permitir actuar a las fuerzas fundamentales. Primero, para que los correspondientes bosones intermediadores salidos del vacío pudieran condensarse el tiempo suficiente -lo que conocemos como el tiempo característico de las interacciones- como para que se produzca la intermediación. Segundo, para que las partículas de materia puedan aproximarse de forma que se coloquen dentro de la distancia de alcance de la fuerza, lo cual es muy importante para las de muy corto alcance como son las dos nucleares.[9]

En el siguiente esquema quedan representadas las partículas más fundamentales del Modelo Estándar, con sus masas en unidades de la energía equivalente, y ordenadas de abajo a arriba desde la de menor masa a la de mayor. Nos va a servir de referencia en la continuación del relato.

Estamos ahora en condiciones como para que al leer las entradas que siguen no nos sorprenda lo que vamos a ver a lo largo de la historia que iremos despiezando con el paso del tiempo… cómo al ir cambiando las condiciones ambientales medias del Universo van apareciendo progresivamente nuevas posibilidades de equilibrios, tras los que se van a ir consolidando nuevas partículas y se va a ir posibilitando la acción de las fuerzas que conforman nuestra más próxima realidad. Hasta entonces.

  1. En esta página de Wikipedia tenéis la historia de tan tremendo físico soviético. []
  2. Dijimos en la entrada anterior que el descuadre entre antimateria y materia es de uno frente a diez mil millones. []
  3. Se cree que su vida media es de unas muchos órdenes de magnitud la edad del universo. Para los amantes de las estadísticas, esa vida media tiene un límite inferior de unos 1035 años. []
  4. Para saber más sobre simetrías propongo una vez más varias entradas del blog “Cuentos cuánticos”, gracias a los que podréis presumir tomando una cerveza con los amigos de que sabéis discernir perfectamente qué es una simetría en física de partículas. Una entrada básica en la que luce la que nunca sale, la gran cerebrito Emmy Noether; otra general sobre lo que es la simetría; y una tercera más en donde se adentra en la CP y compañeras simétricas. []
  5. Mediante la palabra bariogénesis podrías interpretar que se describe el proceso de génesis de los tipos de bariones. Sin embargo se trata del término genérico utilizado para referirse a los hipotéticos procesos físicos que produjeron una asimetría entre bariones y anti-bariones durante los primeros instantes de la creación del universo. []
  6. Hala, a leerse la correspondiente entrada de Pedro en El Tamiz. []
  7. Para los más curiosos propongo este enlace al blog Naukas que amplía el tema. []
  8. Ya hablamos de ellos en la tercera entrada de esta serie. []
  9. De nuevo para mentes curiosas. Esta serie de artículos, 12 y 3, son bastante ilustrativos de lo que pasa en el interior de protones y neutrones. []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

{ 8 } Comentarios

  1. Gravatar Romero | 05/06/2017 at 06:26 | Permalink

    esto entonces es una demostración más que el origen del universo está en el vacío cuántico . ya que en lo microscópico se cumple la norma que las partículas aparezcan y desaparezcan en pares partícula/antipartícula , y el mismísimo cosmos debió pasar en su etapa temprana por el ineludible proceso de aniquilación antes mencionado .

  2. Gravatar gael | 05/06/2017 at 06:34 | Permalink

    en caso que la antimateria hubiese predominado en esta lucha , mi duda va por cómo se habría comportado el universo con una paridad inversa de las partículas ?

  3. Gravatar jreguart | 06/06/2017 at 01:01 | Permalink

    Hola Romero,

    no puedes confundir al Universo con los campos cuánticos. Aunque no tenemos ni idea la mejor explicación de la aparición del Universo es una excursión energética en el vacío cuántico. Pero de ahí no surgió una partícula que llamaríamos Cosmos con su antipartícula antiCosmos. Esto sucede en los campos cuánticos que es en donde si pueden aparecer los pares partícula-antipartícula.

  4. Gravatar jreguart | 06/06/2017 at 01:11 | Permalink

    Hola Gael,

    en el caso que tu dices no hubiera sucedido nada distinto a lo que sucedió en nuestro Universo y que conocemos. Lo único que la materia en vez de estar formada por partículas estaría formada por antiparticulas de carga contraria. El átomo de hidrógeno tendría un núcleo formado por un “antiprotón” (en realidad los antis serían los tres cuarks que lo forman) y le rodearía un orbital positrónico. Este átomo se habría unido químicamente con un “antioxígeno” (ya e lo himaginas con sus antiprotones y sus positrones). Y así con el resto de elementos y moléculas químicas. Piensa que una antipartícula posee la misma masa y el mismo espín que su partícula, aunque tengan cargas eléctricas contrarias. Y la carga positiva y negativa no es más que un convenio adoptado por los físicos. Podían haberla llamado al revés. Y las partículas sin carga son las mismas que sus antipartículas. Así que no creo que hubiera sucedido algo muy distinto en el Universo.

  5. Gravatar Romero | 07/06/2017 at 01:31 | Permalink

    yo creo que aquí hay algo que llama a confusión . se postula que el cosmos surgió de la nada , donde no hay vacío cuántico , espacio , materia , energía . es decir , nada de nada . entonces no me explico ese nacimiento del cosmos de una “excursión del vacío cuántico” . los campos cuánticos son parte del universo obviamente y no podían haber existido previo al big bang ni haberlo creado . me declaro confundido entonces .

  6. Gravatar jreguart | 07/06/2017 at 08:56 | Permalink

    Hola Romero,

    lo primero es agradecerte tu participación. Entrando en materia… nadie sabe cómo pudo surgir el Universo, pero nadie de nadie. Todas las explicaciones que nos damos surgen de hipótesis que encajan con el estado de nuestros desarrollos físico-matemáticos con lo que explicamos bastante bien lo que vemos. La física de campos cuánticos nos funciona… pero quién sabe si deberá ser sobrepasada en un futuro al igual que la mecánica gravitatoria de Newton lo fue por la Relatividad. Es cierto que decir excursión desde el vacío cuántico es decir que algo surgió de la nada de acuerdo a lo que creemos que es un principio válido como es el de la incertidumbre. Pero a pesar de que no haya nada ¿en base a qué funcionó este principio? ¿No había nada pero existían las leyes físicas? ¿Dónde se asentaban estas leyes? ¿Cómo se fijaron tal como son? La misma teoría cuántica nos dice que debe haber una superposición de estados en los que diferentes leyes tienen también una probabilidad de existir. Y de ahí a la idea de los multiversos.

    Repito, no tenemos ni idea de cómo pasó todo. Pero lo que creemos funciona. Algo así a como cuando Kepler nos dijo cómo se movían los cuerpos celestes y tuvo que venir Newton para explicarnos el porqué. Entiendo tu extrañeza sobre los inicios… falta alguna pieza. Es así. Yo soy de los que creen que la ciencia nos irá aproximando poco a poco a explicarla.

  7. Gravatar Romero | 07/06/2017 at 01:19 | Permalink

    Que opinión personal tienes acerca del entrelazamiento cuántico, en el entendido claro, que no puede haber intercambio de información ? Dentro de las cosas más curiosas por decir lo menos del cosmos ; esta es la mas extraña de acuerdo a lo que he leído – aparte de la misma existencia del universo obviamente – , y me hace pensar como posible respuesta ( que osado, no crees?) La superposición de estados que mencionas , mientras leía tu respuesta lo asocié y quise comentarlo . aunque no corresponde al tema tratado aquí específicamente , me tomé esta libertad de sacarte del camino …. mil disculpas y gracias por tu respuesta.

  8. Gravatar jreguart | 08/06/2017 at 07:50 | Permalink

    Hola Romero,

    no soy físico ni he estudiado física cuántica más allá de a donde mi curiosidad me ha llevado por publicaciones, más o menos asequibles a mi entendimiento, que explicaban el tema. Prácticamente todo lo que sé del tema sobre entrelazamiento cuántico lo he mamado de una serie publicada por Pedro en el blog El Tamiz que te recomiendo leas. Hay una entrada específicamente dedicada al entrelazamiento cuántico. Te dejo aquí el enlace a la serie. http://eltamiz.com/cuantica-sin-formulas/

Escribe un comentario

Tu dirección de correo no es mostrada. Los campos requeridos están marcados *

Al escribir un comentario aquí nos otorgas el permiso irrevocable de reproducir tus palabras y tu nombre/sitio web como atribución.