Hallazgo en la asimetría del universo: físicos teóricos proponen una nueva hipótesis sobre por qué la materia venció a la antimateria
Un nuevo estudio sugiere que la ruptura espontánea de la simetría de hipercarga en el universo temprano podría explicar la asimetría entre materia y antimateria. Este hallazgo en la física teórica conecta la masa de los neutrinos con el origen del cosmos.
Hallazgo en la asimetría del universo: físicos teóricos proponen una nueva hipótesis sobre por qué la materia venció a la antimateria. Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz.
Eugenio M. Fernández Aguilar.
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
22.02.2025
La existencia misma del universo tal como lo conocemos plantea un enigma fundamental: ¿por qué hay más materia que antimateria? Si el Big Bang creó cantidades iguales de ambas, deberían haberse aniquilado entre sí, dejando un cosmos vacío. Sin embargo, aquí estamos, en un universo lleno de galaxias, planetas y vida.
Un reciente estudio publicado en Physical Review Letters por investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid y el Instituto de Física Teórica UAM/CSIC ha propuesto una nueva explicación para esta asimetría. Su trabajo sugiere que, en los primeros instantes del universo, la ruptura espontánea de la simetría del hiperacoplamientopudo haber favorecido la aparición de más materia que antimateria. Esta hipótesis, basada en extensiones del Modelo Estándar de la física de partículas, podría aportar una clave fundamental para entender el origen de todo lo que nos rodea.
La simetría rota en el universo temprano
El Modelo Estándar (SM) es la teoría que describe las partículas fundamentales y sus interacciones. En este marco, existe una simetría llamada hipercarga (U(1)Y), que influye en las propiedades eléctricas de las partículas antes de que las fuerzas electromagnética y débil se separen. Según los físicos, esta simetría debería haberse mantenido intacta en el universo primitivo.
Sin embargo, el nuevo estudio plantea una idea diferente. Según los autores, en ciertos modelos teóricos que explican la masa de los neutrinos, la hipercarga podría haberse roto espontáneamente en el universo temprano. Esta ruptura habría generado condiciones especiales que favorecieron la creación de más materia que antimateria.
Los investigadores explican que “un periodo de ruptura de la hipercarga antes de la transición electrodébil podría permitir una bariogénesis exitosa a través de un mecanismo de leptogénesis no convencional”. En otras palabras, este fenómeno habría permitido que el universo se inclinara a favor de la materia, en lugar de producir cantidades iguales de ambas.
Distribución de valores de los parámetros en el modelo Zee-Babu, mostrando la relación entre la ruptura de la hipercarga y las propiedades de los campos escalares. Fuente: Physical Review Letters
El papel de los neutrinos en la ecuación
Los neutrinos son partículas fundamentales casi sin masa que interactúan muy débilmente con la materia. Su comportamiento sigue siendo un misterio, y entender cómo adquieren masa es una de las grandes preguntas de la física actual.
El modelo utilizado en este estudio es el "Zee-Babu", una extensión del Modelo Estándar que introduce nuevas partículas llamadas κ+ y ρ++. Estos campos escalares estarían implicados en la generación de la masa de los neutrinos mediante un proceso llamado corrección radiativa.
Lo interesante es que estos mismos campos podrían haber jugado un papel clave en la ruptura temprana de la hipercarga, lo que explicaría no solo la masa de los neutrinos, sino también la asimetría entre materia y antimateria. “Mostramos que los modelos de masa de neutrinos radiativos pueden presentar un periodo en el universo temprano en el que la simetría de la hipercarga U(1)Y se rompió espontáneamente”, afirman los investigadores.
Si este mecanismo es correcto, podría conectar dos grandes enigmas de la física: la naturaleza de los neutrinos y el origen de la materia en el universo.
Regiones de parámetros permitidas para la bariogénesis en el modelo Zee-Babu, con restricciones impuestas por los experimentos LEP y LHC, y la intensidad de la transición de fase indicada por la escala de colores. Fuente: Physical Review Letters
Bariogénesis: la clave para explicar la asimetría
Para que el universo tenga más materia que antimateria, deben cumplirse las condiciones de Sakharov, establecidas por el físico Andréi Sájarov en 1967. Estas condiciones exigen que:
- Se viole la conservación del número bariónico, permitiendo que se creen más bariones (como protones) que antibariones.
- Exista violación de la simetría carga-paridad (CP), para que materia y antimateria no se comporten de manera idéntica.
- Ocurra un proceso fuera del equilibrio térmico, que impida que la antimateria se regenere en la misma proporción.
El modelo propuesto en el estudio sugiere que la ruptura temprana de la hipercarga podría haber creado condiciones adecuadas para cumplir estas tres reglas. Si la hipercarga se rompió antes de la transición electrodébil, se habrían generado diferencias en las interacciones de los leptones (como los neutrinos), lo que habría provocado la violación de la simetría CP y permitido la generación de un exceso de materia.
¿Por qué hay más materia que antimateria en el universo? Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz.
Potencial experimental: una ventana hacia una física más precisa
Uno de los aspectos más interesantes de este modelo es que podría ser probado en experimentos futuros. Según los investigadores, los colisionadores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) o futuros aceleradores podrían buscar evidencias de las partículas propuestas en este trabajo.
Por otra parte, la presencia de una fase de ruptura de la hipercarga podría haber dejado huellas en el fondo cósmico de microondas o en la evolución de la estructura a gran escala del universo. Esto abre la posibilidad de que los observatorios de ondas gravitacionales detecten señales indirectas de este proceso.
El equipo de investigación planea explorar si este mecanismo también podría resolver otros problemas abiertos de la física, como el enigma de la conservación de la simetría CP en las interacciones nucleares fuertes.
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Referencias
S. López-Zurdo, A. Lozano-Onrubia, L. Merlo, J. M. No. Early Universe Hypercharge Breaking and Neutrino Mass Generation. Physical Review Letters, 2025. DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.041802.
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