En el Big Bang l’espai es va expandir enormement i una multitud de partícules i antipartícules van aparéixer. De totes elles va quedar una resta de partícules. Hui, gràcies a T2K, entenem millor com va poder ser.
Aquest estiu en un experiment de neutrins s’ha vist que partícules i antipartícules definitivament no són unes imatges especulars de les altres. L’experiment T2K (Tokai to Kamioka) ha mostrat indicis que els neutrins violen la simetria CP (simetria de càrrega i paritat). I això, junt amb el que sabem del Big Bang, té a veure amb l’existència de tota la matèria que hi ha, inclosos nosaltres mateixos.
Peu de foto: En l’experiment T2K es crea un feix de neutrins i antineutrins amb l’accelerador de protons J-PARC a Tokai, i es dirigeix al detector Super-Kamiokande a 295 km de distància, a Kamioka.
Simetries, neutrins, partícules, antipartícules…, com funcionava tot això? Fem-ne un repàs ràpid!
Components de la matèria
Tota la matèria ordinària, de la qual estem fets nosaltres, el nostre planeta, el sol i tota la resta, està composta de només quatre partícules. Divideix qualsevol tros de matèria: acabes concloent que està format per àtoms, i aquests al seu torn per un nucli amb protons i neutrons, i electrons al seu voltant. Fins ací és la part que quasi tots sabem.
L’electró és una partícula fonamental: no pots agafar un electró i veure de què està fet. Fins on sabem per les nostres teories i també experimentalment, l’electró no està fet de res més. Però els protons i neutrons sí: estan fets de dues partícules, que els físics anomenen quark “up” i “down”. Dos quarks up (de càrrega +2/3 la del protó) i un quark down (càrrega -1/3) formen un protó. Un up i dos down, un neutró. Els quarks, al seu torn, no estan formats per altres partícules: són partícules fonamentals.
Els quarks up i down estan relacionats entre si, tenen masses semblants i pateixen el mateix tipus d’interaccions. Si no fóra per la seua càrrega, serien bàsicament la mateixa partícula. L’electró, d’altra banda, és molt distint. Però per a ell també hi ha una partícula amb què forma una família de manera semblant: el neutrí.
El neutrí, la quarta de les partícules fonamentals, és com un electró sense càrrega elèctrica. Això fa que no interaccione amb altres partícules electromagnèticament. De fet, quasi no interacciona amb res de cap manera. Una vegada es crea un neutrí (per exemple quan un neutró es desintegra en protó i electró) és molt difícil que alguna cosa el pare.
Ja hem refrescat el tema de les partícules. On entra la qüestió de les simetries?
Simetries en la naturalesa
El món, a nivell microscòpic, en principi es porta igual canviant algunes coses, per exemple la direcció del temps. A nivell de partícules fonamentals, no hi ha manera de distingir si estàs veient un vídeo cap avant o cap arrere. També, si canvies partícules per antipartícules (partícules idèntiques a altres de conegudes, però amb càrregues oposades, elèctrica i d’altres tipus) i viceversa, les lleis de la física són les mateixes.
Aquest canvi entre partícules i antipartícules s’anomena conjugació de càrrega (C). La sorpresa va ser monumental quan als anys cinquanta van descobrir que la naturalesa no es comporta de manera simètrica, que “la simetria C està trencada”.
En certa manera, els físics es van recuperar de l’esglai poc després. Es van adonar que si, a més de canviar partícules per antipartícules (C), també es canviava el sentit en què tot gira (canvi de paritat, P), com si es veren en un espill, aleshores sí que es comportaven igual.
O no? En la dècada següent, fixant-se en dades que ja existien del comportament d’una certa partícula formada per quarks (el kaó), van descobrir que fent els dos canvis alhora (C i P), encara quedava una xicoteta diferència. Ni tan sols la simetria CP era respectada!
Creació de la matèria
En el Big Bang es va crear la mateixa quantitat de matèria i antimatèria, però el nostre univers clarament està format quasi en exclusiu de matèria. Si la naturalesa es comporta així de simètricament, hauria d’haver-hi la mateixa quantitat d’antimatèria en algun costat. No n’hi ha. Per a açò ve molt bé que la simetria CP no siga perfecta.
Peu de foto: Del Big Bang als nostres dies. En els primers moments tenim el puzle sobre com es va crear la matèria.
Gràcies al kaó ja sabem que en els quarks aquesta simetria no es compleix, però la quantitat en què no es compleix és molt menuda. Tant que no pareix que isquen els comptes de com hi ha la matèria que hi ha.
Queda alguna forma? Bàsicament només una més.
Neutrins al rescat.
Física experimental de neutrins
L’escassa interacció dels neutrins, a diferència dels quarks i els electrons, fa que experimentar amb ells siga extremadament difícil.
De la mateixa manera que es va estudiar com ocorria la violació CP en els quarks, s’ha intentat estudiar també amb els neutrins. La dificultat de treballar amb ells ha fet que fins ara no s’haja trobat. No per falta d’interés: des dels anys cinquanta fins a l’actualitat tota una saga d’experiments han anat resolent peces del puzle.
Entra en escena l’experiment T2K, on es produeixen feixos de neutrins i antineutrins, que recorren uns 300 km fins a ser detectats. En fer-ho, s’estudia un fenomen (el de les oscil·lacions de neutrins) que té probabilitats distintes per a neutrins i antineutrins si hi ha violació CP.
L’agost passat T2K va veure el que molts sospitaven, però ningú sabia. Forts indicis que els neutrins violen CP.
L’agost passat T2K va veure el que molts sospitaven, però ningú sabia. Forts indicis que els neutrins violen CP.
Abans de destapar les botelles, cal ser cautelosos. Les dades no són suficients perquè es considere un descobriment en física. Per a això caldria que el resultat només poguera ser a causa de l’atzar en una de cada 10 milions de vegades. De moment té un 5% de probabilitat de ser degut a l’atzar. Per a confirmar-ne el resultat, T2K continuarà funcionant durant els pròxims anys.
Seguirem atents al que veja T2K. Però hui celebrem que, quan els neutrins es miren a l’espill, els torna la mirada una imatge lleugerament distorsionada.
Una lleugera distorsió que és clau perquè estiguem ací.
(Una versió estesa d’aquest article va guanyar el VIII concurs de divulgació CPAN, modalitat millor article de divulgació.
Link: https://www.i-cpan.es/en/content/viii-concurso-de-divulgaci%C3%B3n-cpan-ganadores” )
No comments yet.