¿Por qué existen la materia y nuestro universo?

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El comienzo de nuestro universo fue un asunto violento y caótico. Las partículas de materia y antimateria aparecían y desaparecían, desapareciendo en ráfagas de luz. Creados en pares, si los electrones, los neutrones, los protones y sus equivalentes de antimateria (con cargas eléctricas opuestas) se tocaban, se aniquilaban entre sí, quedando sólo energía pura, visible en los destellos de los fotones. Y si este equilibrio se hubiera mantenido, no nos quedaría nada. No habría universo, ni nosotros.

Pero claramente ese no es el caso, y de alguna manera la materia prevaleció, y las partículas sobrantes formaron átomos, moléculas y, finalmente, toda la materia que existe. Y, sorprendentemente, no hay mucha antimateria que podamos encontrar.

¿A qué se debe este problema de asimetría, incluso cuando las matemáticas parecen apuntar en otra dirección y exigen simetría? Un nuevo artículo del grupo liderado por el físico ganador del Premio Nobel Eric A. Cornell de JILA/NIST en la Universidad de Colorado Boulder, da un paso hacia la respuesta a esta pregunta.

El Dr. Eric Allin Cornell compartió el Premio Nobel de Física de 2001 con Carl E. Wieman y Wolfgang Ketterle, por su trabajo en la síntesis del primer condensado de Bose-Einstein en 1995. Ahora, el grupo de físicos experimentales de Cornell en JILA ha estado estudiando partículas fundamentales como electrones para detectar la asimetría.

En su nuevo estudio, publicado en Science, el grupo comparte una medición récord de electrones, lo que nos acerca a descubrir la fuente de la asimetría.

El equipo centró su atención en el llamado momento dipolar eléctrico del electrón (eEDM). El eEDM nos dice qué tan uniformemente se distribuye la carga eléctrica negativa transportada por un electrón entre sus polos norte y sur. Si hay un desnivel, con una medida de eEDM superior a cero, eso indicaría que el electrón no es completamente circular y tiene más forma de huevo. Esto, a su vez, sería evidencia de una asimetría que podría explicar la existencia de la materia.

Al trabajar con moléculas de fluoruro de hafnio, el equipo de Cornell mejoró significativamente nuestra capacidad para medir el eEDM. Lograron realizar una medición 2,4 veces más precisa que las realizadas anteriormente.

Como explica el comunicado de prensa del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), el proceso implicó el uso de un láser ultravioleta para arrancar electrones de las moléculas, creando un conjunto de iones cargados positivamente, que luego quedaron atrapados.

Un campo electromagnético alternaba alrededor de la trampa para hacer que las moléculas se alinearan o no. Luego se emplearon láseres para medir los niveles de energía en los dos grupos creados de esta manera. Cualquier diferencia en los niveles indicaría que los electrones no son simétricos.

Para el nuevo experimento, el equipo pudo lograr tiempos de medición más largos que antes. Esto, a su vez, condujo a una mayor sensibilidad y precisión. Sin embargo, no notaron ningún movimiento en los niveles, y concluyeron que, al menos con este nivel de precisión, los electrones todavía parecen circulares.

Crédito: Casey A. Cass/Universidad de Colorado

Interesting Engineering habló con el Dr. Eric Cornell para obtener más información sobre los métodos y los resultados del grupo.

Lo siguiente ha sido editado ligeramente para mayor claridad y fluidez.

Ingenieria interesante: ¿Por qué es importante encontrar evidencia de asimetría?

Dr. Cornell: Sabemos desde el principio que hay asimetría y en la asimetría entre materia y antimateria, el universo está formado por una y no por la otra. Y básicamente podemos mirar hacia atrás en el tiempo y ver que después del Big Bang, había mil millones de veces más cosas en el universo que las que hay ahora. Y por cada mil millones de protones y mil millones de antiprotones, en realidad había mil millones un protones, por lo que todos se mantuvieron unidos. Y lo que quedó fue una pequeña fracción de la materia y antimateria que quedó después del Big Bang.

Y es realmente bueno que no fuera exactamente lo mismo. Porque si hubiera sido exactamente igual, no quedaría nada más que luz, cierto, así que es algo misterioso por qué esta pequeña imperfección quedó del Big Bang. Y especialmente porque tenía un significado tan importante: es por eso que todos estamos aquí.

Entonces, la gente teórica (los físicos de partículas que hacen teoría, que no soy yo, debo enfatizar) presentan explicaciones matemáticas. Y resulta que es muy difícil encontrar una explicación matemática que explique este origen del Big Bang, y que no explique, no prediga, [por qué] ciertas partículas,... como los electrones. , y los protones y neutrones, deberían tener esta asimetría.

Entonces, hay buenas razones para creer que las partículas deberían tener asimetría. Y más allá de eso, si podemos ver [la asimetría], en cierto modo ayuda a iluminar lo que sucedió en los primeros segundos del universo.

Pero más allá de eso, el electrón por sí solo debería ser simétrico. Y entonces, el hecho de que sea asimétrico tiene que ver con el hecho de que las partículas... a medida que están cargadas, de alguna manera polarizaron el mundo que las rodea. Y esa polarización incluye la polarización del vacío, que incluye al menos una especie de presencia virtual de partículas mucho más pesadas. Y esas son las partículas que le darían al electrón su asimetría.

Entonces, es una forma de buscar partículas más pesadas. No las vemos directamente, pero vemos evidencia de ellas: partículas que son demasiado pesadas para verlas en un acelerador, como el Gran Colisionador de Hadrones.

Entonces es algo interesante si no vemos nada, y hasta ahora, no hemos visto nada. Sugiere que las partículas que aún no hemos visto son cada vez más masivas, a medida que ponemos límites cada vez más estrictos al momento dipolar del electrón (ese fue nuestro resultado más reciente), un límite nuevo y más estricto.

Resulta que cada vez que ajustamos un factor de dos más en la precisión del electrón y no vemos nada, se eleva el tipo de umbral mínimo de las masas que pueden tener las partículas. El Gran Colisionador de Hadrones no vio ninguna partícula fuera del Modelo Estándar. Y eso establece el límite en torno a uno o dos teraelectrones voltios.

Los resultados de los experimentos del momento dipolar están elevando esa cifra aún más. Y a medida que lo empujamos cada vez más alto, se llega a un punto en el que se podría pensar que no tiene sentido construir un nuevo acelerador a menos que podamos construir uno más grande que "yay".

Y eso tiene enormes implicaciones para el futuro de la física de partículas. Así que, tal como lo veo, creo que no estoy siendo simplemente vanidoso: es una medida importante y tiene implicaciones sobre cómo debe proceder la física de partículas, si se quieren ver nuevas partículas.

Y los teóricos que intentan encontrar explicaciones de la física más allá del modelo estándar, incluida la explicación de la asimetría materia/antimateria, para ellos, estas mediciones están limitadas.

Ya sabes, es como si jugaras tenis, no tiene sentido jugar a menos que tengas una red, y no tiene sentido hacer física de partículas a menos que tengas varias limitaciones que te obliguen a tener una teoría que forme la realidad. y la realidad es que estos momentos dipolares son realmente pequeños.

Crédito: JILA/Steven Burrows

Ingenieria interesante: ¿Cómo logró su medición una mayor precisión que los enfoques anteriores?

Bien, entonces estamos tratando de medir un momento dipolar eléctrico. Lo que suena un poco exótico, pero medir los momentos dipolares magnéticos es muy, muy estándar. Como cada vez que oyes hablar de una máquina de imágenes por resonancia magnética (MRI), o en química, hacen algo llamado ESR - resonancia de espín de electrones, que simplemente miden el momento magnético de los protones.

Entonces, en el caso de la resonancia magnética, y los electrones en el caso de la ESR química, básicamente lo que hacen es simplemente poner cosas en un imán grande y hacerle brillar con ondas de radio para ver si los electrones o los protones se voltean. . Y al hacerlo, se mide el momento magnético del protón o del electrón.

Si en lugar de eso pones un gran campo magnético, un gran campo eléctrico... Ahora, si el electrón tiene un momento dipolar eléctrico, eso cambiará la frecuencia del fotón que necesita darle la vuelta. Y entonces veremos un pequeño cambio en el signo de resonancia: en realidad tenemos un campo magnético.

Y le agregamos también un campo eléctrico, que apunta en la misma dirección que el campo magnético o en la otra dirección del campo magnético. Y... y si vemos un pequeño cambio, ese es el momento dipolar eléctrico.

¿Cómo es que podemos hacerlo mejor que los demás? Bueno, necesitas un par de cosas para hacer este experimento realmente bien: necesitas un campo eléctrico realmente grande... mucho más grande que si simplemente tomas dos placas de metal y las cargas. Después de conseguir que el campo alcance alrededor de 100 kilovoltios por centímetro, empiezan a producirse chispas, no se puede crear un campo más grande que eso en el espacio libre.

Entonces, ¿de dónde se puede conseguir un gran campo eléctrico? Bueno, la forma que tiene la naturaleza de crear un gran campo eléctrico es una molécula. [Con] el cloruro de sodio [compuesto de átomos de sodio y cloro cargado negativamente], el sodio es positivo, el cloro es negativo; nunca piensas en ello. Pero si fueras una personita diminuta que pudiera vivir entre el sodio y el cloro, experimentarías un campo eléctrico realmente grande, mucho más grande del que podemos tener en el laboratorio.

Y usamos en nuestro caso, un átomo de hafnio muy, muy pesado en un lado; es muy pesado y muy positivo. Y por otro lado, utilizamos un átomo [la forma iónica del flúor] que es extremadamente negativo, incluso más negativo que el cloro, por eso utilizamos fluoruro de hafnio.

Y la ventaja que tiene sobre la sal es que no todos los electrones están emparejados. En la sal, los electrones están emparejados y no tiene espín electrónico neto. Entonces no podrías hacer este experimento de resonancia.

Pero en el fluoruro de hafnio, o en nuestro caso, el fluoruro de hafnio más, la molécula, los electrones tienen algo de espín. Ese giro apunta a lo largo de la dirección entre los dos átomos dentro de la molécula. Y entonces parece que estamos haciendo el experimento con la molécula. En realidad, lo estamos haciendo con los electrones dentro de la molécula.

Preguntaste: ¿cómo podemos hacerlo tan bien? Entonces, una cosa es el gran campo eléctrico. La otra cosa es que queremos medir una frecuencia. Y para medir una frecuencia realmente bien, es necesario medirla durante mucho tiempo. Básicamente, si quieres hacer una medición muy precisa de una energía, que en física es lo mismo que la frecuencia, quieres medir una frecuencia con mucha precisión, por lo que debes observarla durante mucho tiempo. Entonces hay una gran incertidumbre cuando se da la vuelta.

Entonces ponemos los iones en una trampa. En realidad, no usamos fluoruro de hafnio; usamos fluoruro de hafnio plus, por lo que es relativamente fácil guardarlos en lo que equivale a una pequeña caja, una caja electrostática que los mantiene cerca.

Y podemos mirarlos durante varios segundos. A esto se le llama tiempo de coherencia: cuánto tiempo se puede sondear coherentemente una resonancia. Probablemente tengamos el tiempo de coherencia más largo jamás visto en una molécula. Entonces tenemos las líneas más estrechas, que nos permiten ver cambios muy pequeños.

Esas son las dos grandes ventajas que tenemos, en comparación con nuestra competencia, y tenemos bastante competencia. Hay muchos grupos trabajando [en esto] ahora.

Ingenieria interesante: ¿Espera que estudios futuros encuentren una medición distinta de cero de eEDM?

Seguro espero eso. Para mí, es muy emocionante medir una medida más precisa, incluso si es cero, simplemente por todas las razones que expliqué anteriormente. El cero con pequeñas barras de error tiene mucho significado en este negocio. Aún sería más emocionante medir un valor distinto de cero, ¿verdad? Y estamos tratando de agregar aproximadamente otro factor de 10 (podría ser un factor de cinco) a la precisión. Ya hemos empezado a construir la nueva máquina, lo que nos llevará varios años. Es una máquina aún más complicada, pero está avanzando.

Lea el estudio "Un límite mejorado en el momento dipolar eléctrico del electrón".

El desequilibrio de materia y antimateria en nuestro Universo proporciona una motivación convincente para buscar partículas no descubiertas que violen la simetría de paridad de carga. Las interacciones con las fluctuaciones del vacío de los campos asociados con estas nuevas partículas inducirán un momento dipolar eléctrico del electrón (eEDM). Presentamos la medición más precisa hasta el momento del eEDM utilizando electrones confinados dentro de iones moleculares, sometidos a un enorme campo eléctrico intramolecular y evolucionando coherentemente durante hasta 3 segundos. Nuestro resultado es consistente con cero y mejora el mejor límite superior anterior en un factor de ~2,4. Nuestros resultados proporcionan limitaciones a amplias clases de nueva física por encima de 10^13 electronvoltios, más allá del alcance directo de los colisionadores de partículas actuales o de aquellos que probablemente estén disponibles en las próximas décadas.