O experimento LHCb do CERN descobre unha nova área para estudar a asimetría entre materia e antimateria no Universo

A revista ‘Nature’, unha das referencias da ciencia mundial, publica este mércores un achado fundamental para comprender a prevalencia da materia sobre a antimateria que existe desde as orixes do universo. O artigo, asinado polo equipo do experimento LHCb do CERN, no que participa o IGFAE, abre unha nova vía na procura de física máis alá do Modelo Estándar, a construción máis completa que a ciencia conseguiu ofrecer ata agora para explicar o universo que coñecemos e os seus compoñentes elementais.

Logo de analizar unha gran cantidade de datos de colisións que tiveron lugar no Gran Colisionador de Hadróns (LHC), a colaboración LHCb obtivo a primeira evidencia robusta dunha asimetría fundamental na desintegración dos barións (partículas compostas por tres quarks, como os protóns e os neutróns, presentes nos núcleos atómicos). Previamente, en 2017 e 2019, xa se observaran indicios deste fenómeno, que agora puideron confirmarse cun nivel de certeza estatística moito maior, segundo os resultados que hoxe publica ‘Nature’, e que xa se presentaran en marzo deste ano na conferencia ‘Rencontres de Moriond’.

Esta asimetría, coñecida como violación de carga-paridade (CP), é unha das claves que pode explicar por que a materia domina sobre a antimateria desde as orixes do Universo. “O Modelo Estándar da Física de Partículas é un dos máis exitosos na física. Porén, non é capaz de explicar algúns fenómenos naturais, como o feito de que o universo coñecido está completamente  dominado pola materia, o cal nos asegura que nos faltan ingredientes”, explica María Vieites Díaz, coordinadora adxunta de física na colaboración LHCb e investigadora Ramón y Cajal no IGFAE e a USC.

Primeira evidencia robusta da asimetría CP en barións

A violación CP xa fora observada anteriormente en mesóns (partículas formadas por un par quark-antiquark, que median na interacción forte), pero non en barións. Aquel descubrimento, acadado en 1964, valeulle o Nobel de Física en 1980 a dous dos seus artífices, James Cronin e Val L. Fitch. “Os avances no estudo das diferencias de comportamento entre materia e antimateria, como este novo resultado, son novas pezas que nos axudan a comprobar as predicións do Modelo Estándar nun dos seus puntos febles”, destaca María Vieites.

Ilustración da desintegración do barión beauty-lambda Λb, partícula na que se detectou a asimetría por parte do detector LHCb. Crédito: LHCb / CERN.

Nesta ocasión, a violación CP observouse nun ‘curmán’ máis pesado dos protóns e neutróns, de curta vida media, chamado barión beauty-lambda Λ_b, composto por un quark ‘up’, un quark ‘down’ e un quark ‘beauty’. “Este novo resultado é consecuencia dunha toma de datos moi eficiente durante os anos 2011-2018, e dunha análise posterior moi elaborada, o cal permitiu medir de forma moi precisa estas diferencias entre materia e antimateria, acadando un resultado moi claro nun novo sistema (materia bariónica) por primeira vez”, salienta a investigadora galega.

“A razón pola que se tardou máis en observar a violación CP en barións ca nos mesóns débese ao tamaño do efecto, e á cantidade de datos dispoñibles”, comenta Vincenzo Vagnoni, portavoz da colaboración LHCb. “Precisabamos unha máquina como LHC, capaz de producir un número suficiente de barións ‘beauty’ e as súas contrapartes de antimateria, e tamén era necesario un experimento capaz de identificar con precisión os produtos da súa desintegración. Fixeron falta máis de 80.000 desintegracións para ver por primeira vez esta asimetría”, destaca Vagnoni.

Novas fontes de asimetría aínda por descubrir

Con todo, o fito publicado hoxe deixa aínda moitas incógnitas por resolver. A magnitude da violación CP que predí o Modelo Estándar é insuficiente para explicar a asimetría da materia sobre a antimateria. Isto suxire que existen novas fontes de violación CP, alén das contempladas no Modelo Estándar, que están por descubrir, o que constitúe unha parte importante do programa de física do LHC, e que continuará nos futuros colisionadores de partículas. “Cantos máis sistemas nos que observemos a violación CP, e canta máis precisión teñamos nestas medicións, máis oportunidades teremos para poñer a proba o Modelo Estándar e buscar física máis alá del”, comenta Vincenzo Vagnoni.

Ese é, por tanto, un dos retos presentes e futuros da colaboración LHCb: “O traballo segue para realizar estas medidas, empregando outros barións e outros estados finais, tanto cos datos dos períodos anteriores coma cos datos que se están tomando actualmente, no período coñecido como LHC Run 3”, conclúe María Vieites.

O IGFAE na colaboración LHCb  e no CERN

O Instituto Galego de Física de Altas Enerxías é un dos membros fundadores do experimento LHCb do CERN, que integran, en total, preto de 1800 persoas, vinculadas a máis de 100 centros de investigación de 24 países. Con preto de 40 membros vinculados a esta colaboración, na actualidade representa o equipo español máis numeroso en LHCb, ocupando cargos de alta responsabilidade.

Alén da parte experimental, o persoal do Instituto mantén unha estreita colaboración co CERN desde a perspectiva teórica, en áreas de estudo como a cromodinámica cuántica, os neutrinos ou a física nuclear. Do mesmo xeito, o IGFAE está presente nos grupos de discusión dos futuros aceleradores do CERN.