Era de las partículascómo aparecieron los quarks, la antimateria y los neutrinos

La era de las partículas va de 10⁻¹² s después del Big Bang a los 3 minutos. En ese tiempo los quarks primero vagaron libres y luego quedaron confinados en protones y neutrones, los electrones y positrones dominaron el universo y, hacia el segundo 1, los neutrinos empezaron a viajar libres. El dato más intrigante es una cuenta: por cada mil millones de pares de partícula y antipartícula, sobraba una partícula de materia. Las estrellas, las montañas y las personas de hoy vienen de ese pequeño excedente.

Cuanto más temprano es un estado, más difícil es observarlo directamente. Los investigadores recrean condiciones extremas en colisionadores o las deducen en teoría. Mientras lees, fíjate en si cada punto se apoya en evidencia experimental o en una predicción teórica.

Seis eventos

• 10⁻¹² s · Época de los quarks: Los quarks vagan libres en una sopa caliente, como ingredientes nadando en una olla hirviendo.
• 10⁻¹¹ s · Asimetría bariónica: Una partícula de materia de más por cada mil millones de pares partícula–antipartícula. Por eso sobrevivió la materia.
• 10⁻⁶ s · Época de los hadrones: Los quarks quedan confinados en protones y neutrones, y un quark solitario no vuelve a verse jamás.
• 1 s · Época de los leptones: Los electrones y positrones dominan el universo.
• 1 s · Desacoplamiento de los neutrinos: Los neutrinos viajan ya libres y casi nunca interactúan con el resto de la materia.
• 10 s · Aniquilación electrón–positrón: Queda un pequeño número de electrones y los fotones aumentan mucho.

Quarks: del modelo al líquido

Primero llegó una idea que puso orden en la familia de partículas: los protones y neutrones están hechos de «quarks» más pequeños. Ordenó el caótico zoo de partículas de entonces, en un artículo titulado «A schematic model of baryons and mesons» (Gell-Mann, Physics Letters, 1964). La siguiente pregunta era por qué nunca se ven quarks solos. La respuesta se llama libertad asintótica: cuanto más cerca están los quarks, más débil es su interacción, y cuanto más lejos, con más fuerza tiran uno del otro, así que siguen encerrados. El artículo se titula «Ultraviolet behavior of non-abelian gauge theories» (Gross y Wilczek, Physical Review Letters, 1973).

El estado de quarks libres se ha recreado desde entonces en el laboratorio. Las colisiones de iones pesados reprodujeron el plasma de quarks y gluones de los primeros microsegundos, que se comporta como un líquido casi sin viscosidad (Colaboración STAR, Nuclear Physics A, 2005).

Antimateria: primero en el papel, luego en los rayos cósmicos

Paul Dirac combinó la mecánica cuántica y la relatividad para describir el electrón, y una solución de su ecuación predijo, de forma inesperada, la antimateria. Su artículo se titula «The quantum theory of the electron» (Dirac, Proceedings of the Royal Society A, 1928). Pocos años después se confirmó la predicción: se fotografió un electrón con carga positiva en los rayos cósmicos, la primera vez que los humanos vieron antimateria. El artículo tiene un título sencillo, «The positive electron» (Anderson, Physical Review, 1933).

Por qué ganó la materia

Las partículas y las antipartículas aparecen en pares, así que ¿cómo acabó sobrando materia? Andréi Sájarov enumeró tres condiciones necesarias para que el universo produzca más materia que antimateria, que siguen siendo el punto de partida de la investigación. El título de su artículo nombra el tema directamente: «Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe» (Sakharov, JETP Letters, 1967). Otra pista vino del experimento: la desintegración del mesón K mostró que las leyes de la física no son perfectamente simétricas entre materia y antimateria. El artículo se titula «Evidence for the 2π decay of the K₂⁰ meson» (Christenson, Cronin, Fitch y Turlay, Physical Review Letters, 1964).

Neutrinos: partículas fantasma

Los neutrinos apenas interactúan con nada, así que atrapar uno es difícil. Los investigadores esperaron años junto a un reactor nuclear y por fin atraparon esta «partícula fantasma», en un artículo titulado «Detection of the free neutrino: a confirmation» (Cowan, Reines et al., Science, 1956). Más tarde se descubrió que los neutrinos cambian entre tres tipos, lo que significa que tienen masa. La observación vino del detector Super-Kamiokande, en un artículo titulado «Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos» (Fukuda et al., Physical Review Letters, 1998).

Cómo lo muestra el juego

En el juego, el rango de tiempo de la era de las partículas se escribe «10⁻¹² s – 3 min» y su recurso son las partículas. Los generadores son Plasma de quarks y gluones, Aniquilación materia–antimateria, Hadronización y Desacoplamiento de neutrinos, que corresponden a los procesos reales de arriba. Los generadores son solo una forma de sentir el orden de estas etapas. Esas máquinas no existen en la realidad.