¿Por qué el universo observable prácticamente no contiene antimateria? Las partículas de antimateria tienen la misma masa pero la carga eléctrica opuesta a sus contrapartes de materia. Se pueden crear muy pequeñas cantidades de antimateria en el laboratorio. Sin embargo, casi ninguna antimateria se observa en otras partes del universo.

Los físicos creen que había cantidades iguales de materia y antimateria en la historia temprana del universo. Entonces, ¿cómo se desvaneció la antimateria? Un investigador de la Universidad del Estado de Michigan es parte de un equipo de investigadores que examina estas preguntas en un artículo recientemente publicado en Reviews of Modern Physics.

Jaideep Taggart Singh, profesor asistente de física de MSU en Facility for Rare Isotope Beams, o FRIB, estudia los átomos y las moléculas incrustadas en sólidos utilizando láseres. Singh tiene una cita conjunta en el Departamento de Física y Astronomía de MSU.

Materia y antimmateria

La respuesta podría estar enraizada en la naturaleza de las fuerzas entre las partículas subatómicas que no son las mismas cuando se invierte el tiempo. Los físicos teorizan que esta violación de la inversión de tiempo es el ingrediente clave necesario para desentrañar el misterio cósmico de la antimateria que falta. Dichas fuerzas de violación de inversión de tiempo dan como resultado una propiedad en partículas llamada momento dipolo eléctrico permanente (EDM). Durante más de 60 años, los físicos han buscado EDM con mayor precisión, pero nunca los han observado. Sin embargo, las teorías recientes de la física de partículas predicen EDM medibles. Esto ha llevado a una búsqueda mundial de EDM en sistemas tales como neutrones, moléculas y átomos.

Las búsquedas de EDM a menudo involucran relojes atómicos que operan en un campo magnético controlado (uniforme en el espacio y estable en el tiempo). En un campo eléctrico, un reloj atómico ultraestable con un EDM distinto de cero funcionará ligeramente más rápido o más lento. El éxito de tales experimentos depende de qué tan bien los físicos pueden controlar el campo magnético circundante y otros factores ambientales.

Jaideep Singh, profesor asistente en la instalación de MSU para Rare Isotope Beams, trabaja con un escudo magnético en su laboratorio
Jaideep Singh, profesor asistente en la instalación de MSU para Rare Isotope Beams, trabaja con un escudo magnético en su laboratorio. Foto de GL Kohuth. Crédito: Michigan State University

Los EDM de los átomos, como el radio y el mercurio, se deben principalmente a las fuerzas que se originan en el medio nuclear. Los mejores límites en este tipo de fuerzas se derivan actualmente del átomo de mercurio-199. Investigadores de la Universidad de Washington, Seattle, encontraron que su reloj de mercurio-199 pierde menos de un segundo cada 400 siglos. Es imposible mejorar este experimento a menos que uno pueda construir un reloj menos sensible a los factores ambientales. Un experimento competitivo que busca hacer precisamente eso es la búsqueda del EDM del radio-225. Es una colaboración entre el Laboratorio Nacional Argonne, la Universidad Estatal de Michigan y la Universidad de Ciencia y Tecnología de China.

Isótopo radio-225

El raro isótopo radio-225 es una alternativa atractiva. Su núcleo “«en forma de pera» (ver figura a continuación) amplifica el EDM observable en órdenes de magnitud en comparación con el núcleo casi esférico de mercurio-199. Para realizar un experimento competitivo, un reloj de radio 225 solo necesita ser estable a menos de un segundo cada dos años. Esto es difícil pero factible. La sensibilidad de este reloj de radio está limitada actualmente solo por el pequeño número de átomos disponibles (aproximadamente 0.000005 miligramos por día). En el futuro, el uso de un núcleo aún más «en forma de pera», como el raro isótopo protactinio-229, puede mejorar la sensibilidad de estas búsquedas de EDM en otro factor de mil. En otras palabras, un experimento competitivo con un reloj de protactinio solo tendría que ser estable a menos de un segundo cada día.

La violación de la inversión temporal puede explicar la abundancia de materia sobre la antimateria
Crédito: Michigan State University

Singh dijo en un comunicado:

“Nosotros, todo lo que vemos y el resto del universo observable existe porque la antimateria desapareció durante el nacimiento del universo. Descubrir una nueva fuente de violación de la inversión de tiempo, tal vez utilizando núcleos raros en forma de pera, comenzaría a explicar cómo sucedió esto”.

FRIB producirá una gran cantidad de núcleos en forma de pera, como el radio-225 y, por primera vez, el protactinio-229. Esto permitirá una búsqueda de un EDM con una sensibilidad sin precedentes para responder al rompecabezas de la antimateria.

MSU está estableciendo FRIB como una nueva instalación de usuario científico para la Oficina de Física Nuclear en la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos. En construcción en el campus y operado por MSU, FRIB permitirá a los científicos realizar descubrimientos sobre las propiedades de los isótopos raros para comprender mejor la física de los núcleos, la astrofísica nuclear, las interacciones fundamentales y las aplicaciones para la sociedad, incluso en medicina, seguridad nacional, y la industria.

El estudio científico ha sido publicado en Reviews of Modern Physics.

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