El experimento LHCb del CERN descubre una nueva área para estudiar la asimetría entre materia y antimateria en el Universo

La revista Nature, una de las referencias de la ciencia mundial, publica este miércoles un hallazgo fundamental para comprender la prevalencia de la materia sobre la antimateria desde los orígenes del universo. El artículo, firmado por el equipo del experimento LHCb del CERN, en el que participa el Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), centro mixto de la Universidade de Santiago de Compostela (USC) y la Xunta de Galicia, abre una nueva vía en la búsqueda de física más allá del Modelo Estándar, la construcción más completa que la ciencia ha conseguido hasta ahora para explicar el universo conocido y sus componentes elementales.

Tras analizar una ingente cantidad de datos de colisiones producidas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), la colaboración LHCb ha obtenido la primera evidencia sólida de una asimetría fundamental en la desintegración de bariones (partículas formadas por tres quarks, como los protones y los neutrones, presentes en los núcleos atómicos). Anteriormente, en 2017 y 2019, ya se habían observado indicios de este fenómeno, que ahora se han confirmado con un nivel de certeza estadística mucho mayor, según los resultados que hoy publica Nature y que ya fueron presentados en marzo de este año en la conferencia ‘Rencontres de Moriond’.

Esta asimetría, conocida como violación de carga-paridad (CP), es una de las claves para explicar por qué la materia domina sobre la antimateria desde los orígenes del universo. “El Modelo Estándar de la Física de Partículas es uno de los más exitosos de la física. Sin embargo, no es capaz de explicar ciertos fenómenos naturales, como el hecho de que el universo conocido esté completamente dominado por la materia, lo cual nos indica que faltan ingredientes en el modelo”, explica María Vieites Díaz, coordinadora adjunta de física en la colaboración LHCb e investigadora Ramón y Cajal en el IGFAE y la USC.

Primera evidencia sólida de la violación CP en bariones

La violación CP ya había sido observada anteriormente en mesones (partículas compuestas por un par quark-antiquark, que median en la interacción fuerte), pero no en bariones. Aquel descubrimiento, logrado en 1964, valió el Premio Nobel de Física en 1980 a dos de sus artífices, James Cronin y Val L. Fitch. “Avances como este, que estudian las diferencias de comportamiento entre materia y antimateria, son nuevas piezas que nos ayudan a comprobar las predicciones del Modelo Estándar en uno de sus puntos débiles”, destaca María Vieites.

Ilustración de la desintegración del barión beauty-lambda Λ_b, partícula en la que se detectó la asimetría por parte del detector LHCb. Crédito: LHCb / CERN.

En esta ocasión, la violación CP se observó en un ‘pariente’ más pesado de los protones y neutrones, de vida corta, llamado barión beauty-lambda Λ_b, compuesto por un quark up, un quark down y un quark beauty. “Este nuevo resultado es fruto de una toma de datos muy eficiente durante los años 2011-2018, y de un análisis posterior muy elaborado, lo que permitió medir con gran precisión estas diferencias entre materia y antimateria, logrando un resultado muy claro en un nuevo sistema (la materia bariónica) por primera vez”, subraya la investigadora gallega.

La razón por la que se ha tardado más en observar la violación CP en bariones que en mesones se debe al pequeño tamaño del efecto y a la cantidad de datos necesarios”, comenta Vincenzo Vagnoni, portavoz de la colaboración LHCb. “Necesitábamos una máquina como el LHC, capaz de producir un número suficiente de bariones ‘beauty’ y sus contrapartes de antimateria, y también un experimento capaz de identificar con precisión los productos de su desintegración. Han hecho falta más de 80.000 desintegraciones para observar por primera vez esta asimetría”, destaca Vagnoni.

Nuevas fuentes de asimetría aún por descubrir

A pesar del hito publicado hoy, quedan muchas incógnitas por resolver. La magnitud de la violación CP que predice el Modelo Estándar no es suficiente para explicar la asimetría entre materia y antimateria. Esto sugiere que existen nuevas fuentes de violación CP más allá de las contempladas por el modelo actual, aún por descubrir. Esta búsqueda constituye una parte importante del programa de física del LHC y seguirá desarrollándose en futuros colisionadores de partículas.

“Cuantos más sistemas en los que observemos violación CP, y cuanto mayor sea la precisión de estas mediciones, más oportunidades tendremos para poner a prueba el Modelo Estándar y buscar nueva física más allá de él”, señala Vagnoni.

Ese es, por tanto, uno de los retos presentes y futuros de la colaboración LHCb. “El trabajo continúa para realizar estas mediciones utilizando otros bariones y otros estados finales, tanto con los datos de los periodos anteriores como con los que se están tomando actualmente, en el periodo conocido como LHC Run 3”, concluye María Vieites.

El IGFAE en la colaboración LHCb y en el CERN

El Instituto Galego de Física de Altas Enerxías es uno de los miembros fundadores del experimento LHCb del CERN, que cuenta en total con cerca de 1.800 personas, pertenecientes a más de 100 centros de investigación en 24 países. Con casi 40 miembros vinculados a esta colaboración, representa actualmente el equipo español más numeroso en LHCb, ocupando cargos de alta responsabilidad.

Además del trabajo experimental, el personal del instituto mantiene una estrecha colaboración con el CERN desde la perspectiva teórica, en áreas como la cromodinámica cuántica, los neutrinos o la física nuclear. Asimismo, el IGFAE participa en los grupos de discusión sobre los futuros aceleradores del CERN.