Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (3ª parte)

Tras el surgimiento del Universo muy primigenio, y el Universo primigenio, es el momento de la formación de estructuras. El periodo de tiempo comprendido entre el final del Universo primigenio y la generación de las primeras estrellas y galaxias se caracteriza por la ausencia de luz y se conoce como Edad Oscura. En un principio, durante la primera fase de la formación de estructuras, surgieron los quásar y las estrellas de población III o estrellas de primera generación (estrellas de metalicidad nula); ambos tipos de estructuras provocarían lo que se conoce como reionización, un periodo datado entre los 150 y los 1.000 millones de años en el que la materia se vería de nuevo convertida en plasma debido a la radiación de estos cuerpos primitivos. Tras la reionización, se forman las estrellas de población II, y tras estas, las de población I, las galaxias, los cúmulos y los supercúmulos. Hace 4.500 millones de años aproximadamente surge nuestro Sistema Solar.

En la 2ª parte de estos apuntes hice referencia a una duda que me había surgido en relación a las diferencias existentes entre la Bariogénesis durante la Era de la Gran Unificación, y la Era Hadrónica. Según distintas fuentes, fue en ambos periodos cuando la materia surgió en el Universo, más concretamente, la materia bariónica. Creo haber aclarado algunas cuestiones sobre este punto. Al parecer durante la Bariogénesis se produjo el surgimiento de partículas y antipartículas a partes casi iguales, con una ligera descompensación cuantitativa a favor de las primeras, las partículas. El contacto entre partículas y antipartículas daría como resultado su aniquilamiento mutuo, produciéndose así la consolidación de la materia en el Universo por mayoría numérica. Sin embargo, existen otras teorías que explican el dominio de la materia frente a la antimateria sin necesidad de recurrir a estas diferencias de cantidades, como veremos después. Fuera como fuese, el resultado final de la bariogénesis es la formación del ya mencionado plasma de quarks-gluones, conformado por partículas. Durante la Era electrodébil, esta materia adquiriría masa gracias a la acción de los bosones de Higgs, de lo que se deduce que durante la bariogénesis no la poseía; finalmente, será durante la Era Hadrónica, debido al enfriamiento de un Cosmos en crecimiento, cuando este plasma de partículas con masa reaccionará hasta formar hadrones estables.

Todo esto parece aclarar, al menos en parte, las diferencias entre los acontecimientos relacionados con la Bariogénesis y la Era Hadrónica gracias al concepto de la antimateria, pero, ¿Qué es exactamente la antimateria? En 1928, Paul Dirac predijo en su formulación de la ecuación sobre el comportamiento de las partículas con espín 1/2 la existencia de un tipo de partículas similares a las partículas ordinarias pero con propiedades inversas y a las que se denominaron antipartículas. Desde entonces, las antipartículas se han ido revelando de forma empírica en sucesivos experimentos; el positrón en 1932, el antineutrón y el antiprotón en 1955; en 1965 fue posible la composición de un átomo formado por antipartículas, es decir, de antimateria, cuando dos equipos obtuvieron de forma independiente un antideuterón en el Acelerador Protón Sincrotrón del CERN y en el AGS del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Nueva York. Décadas más tarde, en 1995, científicos del CERN lograron formar nueve átomos de antihidrógeno en sus instalaciones.

Podriamos definir la antimateria como la materia formada por antipartículas. A cada partícula elemental de la naturaleza le corresponde una antipartícula, semejante a la original, con la misma masa, el mismo spin pero carga eléctrica contraria. Algunas antipartículas son idénticas a sus partículas, por ejemplo al carecer de carga eléctrica; con todo, no por poseer carga neutra una partícula es necesariamente idéntica a su antipartícula. En cuanto a la cuestión de dónde se encuentra la antimateria si esta ha sido postulada como una realidad más de nuestro Universo, podemos leer lo siguiente en la Wikipedia:

Las teorías científicas más aceptadas afirman que en el origen del universo existían materia y antimateria en iguales proporciones. Pero la materia y la antimateria se aniquilan mutuamente, dando como resultado energía pura, y sin embargo, el universo que observamos está compuesto únicamente por materia. Se desconocen los motivos por los que no se ha encontrado antimateria en el universo. En física, el proceso por el que la cantidad de materia superó a la de antimateria se denomina Bariogénesis, y baraja tres posibilidades:

1. Pequeño exceso de materia tras el Big Bang: Especula con que la materia que forma actualmente el universo podría ser el resultado de una ligera asimetría en las proporciones iniciales de ambas. Se ha calculado que la diferencia inicial entre materia y antimateria debió ser tan insignificante como de una partícula más de materia por cada diez mil millones de parejas partícula-antipartícula.

2. Asimetría CP: En 1967, Andréi Sájarov postuló por primera vez que las partículas y las antipartículas no tenían propiedades exactamente iguales o simétricas; una discusión denominada la Violación CP. Un reciente experimento en el acelerador KEK de Japón sugiere que esto quizás sea cierto, y que por tanto no es necesario un exceso de materia en el Big Bang: simplemente las leyes físicas que rigen el universo favorecen la supervivencia de la materia frente a la antimateria. En este mismo sentido, también se ha sugerido que quizás la materia oscura sea la causante de la bariogénesis al interactuar de distinta forma con la materia que con la antimateria.

3. Existencia de galaxias de antimateria ligada por antigravedad: Muy pocos científicos confían en esta posibilidad, pero todavía no ha podido ser completamente descartada. Esta tercera opción plantea la hipótesis de que pueda haber regiones del universo compuestas de antimateria. Hasta la fecha no existe forma de distinguir entre materia y antimateria a largas distancias, pues su comportamiento y propiedades son indistinguibles. Existen argumentos para creer que esta tercera opción es muy improbable: la antimateria en forma de antipartículas se crea constantemente en el universo en las colisiones de partículas de alta energía, como por ejemplo con los rayos cósmicos. Sin embargo, éstos son sucesos demasiado aislados como para que estas antipartículas puedan llegar a encontrarse y combinarse. La NASA ha enviado la sonda AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) para buscar rastros de antimateria más compleja, que pudiesen indicar que todavía existe antimateria en el universo. Sin embargo los experimentos no han detectado nada hasta la fecha.

Materia y Antimateria ¿Qué secretos esconde la antimateria y la energía oscura?

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