Científics ens acosten un pas més a entendre la naturalesa de la matèria i l’antimatèria

La Col·laboració Internacional LHCb ha publicat recentment uns resultats que ens poden fer avançar un pas més cap a entendre la diferent naturalesa entre matèria i antimatèria a un nivell fonamental, resolent una de les grans incògnites cosmològiques de l’actualitat: Per què l’Univers està fet de matèria?

Les noves mesures, que van ser presentades el divendres 17 de març als Recontres de Moriond EW, mostren la major violació CP mai observada.

Què és exactament una violació CP, però?
Pels no experts en física de partícules, us simplifiquem el concepte. La C fa referència a una Conjugació de Càrrega d’una partícula, és a dir, una transformació on intercanviem una partícula per la seva antipartícula (per exemple, un electró per un positró). Per altra banda, la P fa referència a una transformació de Paritat, que consisteix en agafar la imatge mirall d’una partícula, com queda il·lustrat en la imatge a continuació.

La comunitat científica creia que totes les forces fonamentals del nostre Univers (electromagnètica, nuclear forta i nuclear feble) respectaven la simetria CP, és a dir, que una partícula movent-se cap a la dreta i girant en sentit horari s’hauria de comportar exactament igual que la seva antipartícula movent-se cap a l’esquerra i girant en sentit antihorari. Això implicaria que qualsevol experiment realitzat amb una partícula hauria de donar els mateixos resultats que el mateix experiment realitzat amb la seva antipartícula (o la seva imatge especular). Des de principis del 2000, però, han sorgit diversos experiments amb mesons (que són combinacions d’un quark i un antiquark) on partícules i antipartícules, matèria i antimatèria, es comporten diferent.
Els nous resultats de l’asimetria CP més gran mai observada s’han trobat en desintegracions  de mesons B carregats. Podeu observar aquestes asimetries CP en les desintegracions mostrades a la figura 2 i comparar amb la figura 1 on la asimetria CP és compatible amb zero. Això es veu al comparar les alçades dels pics en les gràfiques de la dreta i l’esquerra, que corresponen a les desintegracions de la partícula i de la seva antipartícula respectivament.

Les desintegracions que tenen lloc en aquest estudi, poden donar-se a través de diversos processos intermedis, i cadascun d’aquests processos resulta en unes condicions específiques de velocitats de les partícules resultants, la qual cosa defineix el que anomenem com regions cinemàtiques. En una d’aquestes regions en concret, la asimetria CP arriba fins a un 75%, com veiem a la figura 3. Aquesta és la major violació CP mai observada. A la imatge, podem observar una gran diferència entre el nombre de desintegracions pel mesó B+ i pel B-, la seva antipartícula. Si analitzem les dades amb cura, també podem veure que aquesta acumulació tan diferent de desintegracions entre matèria i antimatèria es dona al voltant de la massa característica d’una altra partícula: el mesó X_c.

Impacte científic: el problema de l’asimetria bariònica

Quan l’Univers va començar fa uns catorze mil milions d’anys amb el Big Bang, podríem assumir amb certa seguretat que es deurien crear quantitats equivalents de matèria i antimatèria. Avui en dia, però, observem que l’Univers està fet només de matèria, així que un es pot preguntar, on ha anat tota l’antimatèria? El model estàndard de física de partícules no pot donar una explicació plausible a aquest fet, ni tampoc la teoria de la relativitat general.

L’any 1967, el físic soviètic Andrei Sakharov va proposar un mecanisme que explicaria aquesta dominància de la matèria sobre l’antimatèria. Aquest mecanisme es basava en tres condicions imprescindibles, entre les quals es trobava la violació de la simetria CP. Aquests resultats, per tant, recolzen la hipòtesis de que algunes lleis físiques actuen diferent sobre la matèria que sobre l’antimatèria.

El Ricardo Vázquez, investigador de l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB) i membre de la Col·laboració LHCb, remarca que “és impressionant que el nivell de precisió en algunes d’aquestes mesures estigui per sota de l’1%. La propera tanda d’experiments a l’LHC incrementarà la quantitat de dades i permetrà realitzar anàlisis més sofisticades per a posar llum a un dels problemes més intrigants de la física moderna”.

Les violacions CP que s’havien mesurat eren, fins fa poc, massa petites per a explicar el contrast entre matèria i antimatèria. “El fet de que aquests nous resultats siguin la major violació CP mai observada ens podria ajudar a aprofundir el nostre enteniment sobre les causes d’aquesta discrepància i descobrir perquè la matèria i l’antimatèria es comporten de forma diferent a un nivell fonamental” explica la Carla Marín, membre de la Col·laboració LHCb de l’ICCUB. “El següent pas és que els nostres col·legues teòrics interpretin aquests resultats i proposin una teoria per a explicar aquesta gran asimetria. El fet de que aquesta sigui màxima en una regió específica al voltant de la partícula X_c ens pot donar una pista crucial sobre on començar a buscar”.

Amb aquests resultats, la col·laboració LHCb ens acosta un pas més a entendre per què el nostre Univers i nosaltres mateixos estem fets de matèria en comptes d’antimatèria i posar llum a un dels episodis més obscurs del naixement del nostre Cosmos.

La Col·laboració LHCb

La Col·laboració LHCb està formada per diferents institucions internacional arreu del mon, incloent l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona. Diversos membres del nostre Institut formen part d’aquesta col·laboració, entre ells Alejandro Alfonso Alberto, José María Fernández-Tenllado Arribas, Paula Garcia Moreno, Lluís Garrido, Pere Gironella Gironell, Sergio Gómez Fernández, Eugeni Graugés, Aniol Lobo, Albert Lopez, Carla Marín, Joan Mauricio i Ricardo Vázquez.
Més informació sobre aquest article a la web de divulgació de la Col·laboració LHCb.