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Cómo resolver tres de los misterios del universo

Para resolver el problema de los neutrones, los físicos propusieron en 1977 una hipotética partícula llamada el axión. Cinco años más tarde, se encontró que el axión también era capaz de resolver el problema de la materia oscura. Ahora sugieren que el axión puede explicar también el desequilibrio entre la materia y la antimateria

Una hipotética partícula llamada axión podría resolver uno de los grandes misterios de la física: el exceso de materia sobre la antimateria, o por qué estamos aquí.

Según el Modelo Estándar de la física de partículas, cuando nació nuestro universo, el encuentro de la materia y la antimateria debería haber provocado su aniquilación mutua. Eso significa que nada, ni la Tierra, ni el Sol, ni las galaxias, ni los humanos, existiría. Pero en cambio, sí existimos.

"Hay una clara contradicción con el Modelo Estándar", dijo el físico e investigador postdoctoral de la Universidad de Michigan, Raymond Co. "¿Por qué todo el universo está lleno de materia y muy, muy poca antimateria?"

El Modelo Estándar de la física de partículas explica tres fuerzas fundamentales en el universo: el electromagnetismo, la fuerza débil y la fuerza fuerte. El electromagnetismo es la fuerza entre las partículas que tienen una carga. La fuerza débil hace que los neutrones se descompongan, y la fuerza fuerte explica por qué las partículas subatómicas como los neutrones y los protones se mantienen unidas.

Pero hay algunas contradicciones dentro del Modelo Estándar, una de ellas el desequilibrio entre la materia y la antimateria. El Modelo Estándar tampoco explica la existencia de la materia oscura, ni tampoco explica una propiedad observada de los neutrones.

Para resolver el problema de los neutrones, los físicos propusieron en 1977 una hipotética partícula llamada el axión. Cinco años más tarde, se encontró que el axión también era capaz de resolver el problema de la materia oscura. Ahora, Co y el co-autor Keisuke Harigaya, un investigador del Instituto de Estudios Avanzados, están sugiriendo que el axión puede explicar otro problema: el desequilibrio entre la materia y la antimateria. Su investigación se publicó en la revista Physical Review Letters.

La hipotética partícula axión es infinitesimalmente ligera -al menos miles de millones de veces más ligera que el protón- y casi no interactúa con la materia normal. Esto explicaría por qué aún no han sido detectadas, incluso con la instrumentación que nos permite detectar protones, neutrones y electrones.

El axión se planteó por primera vez como hipótesis para abordar una contradicción llamada problema CP fuerte. Como sabemos de lo que aprendemos de la física en la escuela secundaria, los electrones tienen una carga negativa, los protones tienen una carga positiva y los neutrones no tienen carga. Sin embargo, los neutrones están formados por partículas más elementales llamadas quarks, que sí tienen cargas. Así que los físicos esperan que los neutrones interactúen con el campo eléctrico, dice Co. Pero no es así. Si el axión existe, apagaría la interacción entre los neutrones y el campo eléctrico, resolviendo el problema CP fuerte.

El axión también puede ser un buen candidato para la materia oscura, que se utiliza para explicar la velocidad de rotación de las galaxias, otra contradicción del Modelo Estándar. Si las galaxias giraran a la velocidad a la que actualmente lo hacen, con la cantidad de gravedad que tienen basada en la materia luminosa -materia que podemos ver porque emite luz- se desmembrarían. Simplemente no hay suficiente gravedad para mantenerlas juntas. Los científicos sugieren que debe haber una enorme cantidad de materia, como un vasto campo de axiones, en las galaxias, que no podemos ver, lo que explicaría su velocidad de rotación.

Ahora, Co y Harigaya están sugiriendo que el axión también puede explicar el desequilibrio de la materia y la antimateria. Anteriormente, los físicos pensaban que en las primeras etapas del universo, justo después del Big Bang, el campo de axiones era inicialmente estático y que comenzó a oscilar a medida que el universo se enfriaba.

"Podemos imaginar al axión como una bola dentro de una botella de refresco de plástico, haciendo algún tipo de oscilación de ida y vuelta alrededor del punto más bajo de dicha botella", dijo Co.

Sin embargo, los investigadores sugieren que el campo de axiones tendría una dinámica más interesante en esta etapa temprana. Imaginemos de nuevo la botella de plástico. Antes de rodar hacia atrás y adelante a lo largo del fondo de la botella, el axión giraba en un patrón circular alrededor del cuerpo de la botella. Co y Harigaya sugieren que a través de las interacciones proporcionadas por la fuerza fuerte y la fuerza débil, la rotación del axión crea un poco más de materia que de antimateria. Cuando la materia y la antimateria se unieron, en lugar de aniquilarse completamente, una de cada 10 mil millones de partes de materia quedó para formar el mundo que vemos hoy en día.

"El axión fue propuesto por primera vez por los físicos teóricos de partículas", dijo Harigaya. "Desde entonces, físicos teóricos y experimentales de partículas, astrofísicos y cosmólogos han estado estudiando el axión conjuntamente. Y hemos revelado un nuevo papel cosmológico del axión debido a la rotación. Esperamos que nuestro trabajo promueva aún más el esfuerzo de investigación interdisciplinaria".

"La gente siempre quiere saber por qué estamos aquí y ello se debe a la asimetría entre la materia y la antimateria, en el sentido técnico", dijo Co. "Y lo que es emocionante en nuestro trabajo es que el axión da una explicación simultánea a los tres problemas de la física de partículas: la materia oscura, la asimetría materia-antimateria y el problema CP fuerte. Dado que estos problemas no han sido estudiados simultáneamente en el marco del axión, se necesita aún mucho trabajo sobre este tema. Lo más notable de todo es que este marco con los axiomas será puesto a prueba en un futuro próximo".

Los trabajos futuros relacionados podrían incluir la investigación de las ondas gravitacionales y el origen de la masa de neutrinos.

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