Violación de CP: la asimetría que dejó sobrevivir a la materia
El Big Bang debería haber producido materia y antimateria a partes iguales. Se habrían aniquilado por completo, dejando un universo de radiación y nada más: sin estrellas, sin planetas, sin observadores que lo notaran. Algo lo impidió, y el desequilibrio necesario es minúsculo: alrededor de una partícula de materia de más por cada mil millones de pares. Todo lo que existe es el residuo. Averiguar qué causó ese desequilibrio es una de las pocas preguntas genuinamente fundamentales que siguen abiertas, y el neutrino es hoy el lugar más prometedor donde mirar.
Qué dice la simetría
La conjugación de carga, escrita C, cambia cada partícula por su antipartícula. La paridad, escrita P, refleja el espacio e intercambia izquierda y derecha. Durante mucho tiempo se supuso que ambas eran simetrías exactas de la naturaleza: a las leyes de la física no debería importarles si se observa un proceso o su imagen especular, ni si está hecho de materia o de antimateria.
La paridad cayó primero, en 1956, cuando se demostró que la interacción débil distingue izquierda de derecha de forma absoluta. Eso ya fue sorprendente. Pero la combinación CP parecía sobrevivir: al reflejar el proceso y cambiar materia por antimateria se obtenía, aparentemente, un proceso que la naturaleza trata igual.
En 1964 también falló. James Cronin y Val Fitch hallaron que los kaones neutros decaen de un modo que no es del todo simétrico bajo CP, en el nivel de unas pocas partes por mil. Un efecto pequeño con grandes consecuencias, que obtuvo el Nobel de 1980.
Por qué importa lo expuso Andrei Sájarov en 1967. Demostró que producir un exceso de materia desde un inicio simétrico exige tres condiciones a la vez: un proceso que cambie el número bariónico, violación tanto de C como de CP, y una desviación del equilibrio térmico. Sin violación de CP, cualquier exceso generado en un sentido lo cancela el proceso espejo.
Por qué la cantidad conocida no basta
El Modelo Estándar sí contiene violación de CP. Entra por una única fase compleja en la matriz que describe la mezcla de quarks, y da cuenta correctamente de los resultados de kaones y de medidas posteriores en mesones más pesados. Como descripción de lo medido, funciona.
Como explicación del universo, falla estrepitosamente. Al introducir el efecto del sector de quarks en los cálculos de cuánta materia debería haber sobrevivido, la respuesta sale unos diez órdenes de magnitud demasiado pequeña. No es un desacuerdo marginal que medidas mejores pudieran cerrar: es un déficit estructural.
Debe haber, pues, otra fuente de violación de CP en alguna parte, y que actuara en el universo temprano. El sector leptónico es el candidato obvio, por ser la parte peor medida del Modelo Estándar y porque la masa del neutrino ya exige física más allá del modelo.
El parámetro relevante es una fase de la matriz PMNS. Solo se volvió medible cuando en 2012 se comprobó que el ángulo de mezcla más pequeño no era cero; de haberlo sido, esta vía habría quedado cerrada por completo.
Cómo lo comprueban los experimentos de neutrinos
La prueba es conceptualmente simple. Se produce un haz de neutrinos muónicos, se envía a larga distancia y se cuenta cuántos llegan como neutrinos electrónicos. Después se hace exactamente lo mismo con antineutrinos. Si CP se respeta, las dos probabilidades de conversión coinciden. Si difieren, CP está violada en el sector leptónico.
En la práctica es difícil por estadística y por interferencia. El efecto es una diferencia moderada entre dos números pequeños, así que exige detectores enormes y años de toma de datos. Y la materia que atraviesa el haz crea su propia asimetría, porque la Tierra contiene electrones pero no positrones, lo que imita la violación de CP y debe separarse de ella.
Los experimentos de acelerador actuales, T2K en Japón y NOvA en Estados Unidos, han dado resultados que se inclinan hacia un efecto grande, pero no a un nivel que zanje nada. Sus distancias y su estadística no se diseñaron para una respuesta definitiva.
DUNE e Hyper-Kamiokande sí. Ambos se construyen específicamente para medir esta fase, con distancias, potencia de haz y masas de detector elegidas al efecto, y usan tecnologías distintas para que sus errores sistemáticos no se solapen.
El vínculo con la leptogénesis
Ni siquiera una medida confirmada de violación de CP leptónica explicaría por sí sola el exceso de materia. La conexión pasa por la leptogénesis, un escenario en el que neutrinos muy pesados del universo temprano decayeron de forma que violaba CP, produciendo un desequilibrio entre leptones y antileptones que procesos conocidos convirtieron después parcialmente en la asimetría bariónica que observamos.
Ese escenario exige que el neutrino sea una partícula de Majorana, de modo que el número leptónico no se conserve. Exige además compañeros pesados a energías muy por encima de cualquier acelerador, y por eso el mecanismo resulta atractivo pero no comprobable de forma directa.
Lo que sí es comprobable son sus consecuencias: la violación de CP leptónica, que medirán DUNE e Hyper-Kamiokande, y la violación del número leptónico, que demostraría el doble decaimiento beta sin neutrinos. Ninguna prueba por sí sola la leptogénesis. Ambas juntas la harían muy difícil de descartar.
Conviene ser honesto: la fase medida en oscilación no es necesariamente la fase que importó en el universo temprano. La conexión depende del modelo, y un valor grande sería un indicio fuerte, no una prueba.
De qué no trata esta pregunta
La violación de CP trata de por qué existe la materia, no de qué puede hacerse con ella. Es una pregunta sobre la primera fracción de segundo tras el Big Bang, comprobada con haces y detectores construidos con una precisión que no tiene aplicación fuera de la propia medida.
La escala de los experimentos hace el mismo apunte de siempre. DUNE necesita 70.000 toneladas de argón líquido y un haz de clase megavatio para acumular sucesos suficientes y ver una diferencia entre dos probabilidades pequeñas. Ese requisito se deriva de lo raramente que interactúan los neutrinos, no de un contenido energético que portaran.
La pregunta distinta de la investigación neutrinovoltaica, si la radiación ambiental y las fluctuaciones térmicas en la superficie de un material diseñado pueden impulsar una corriente medible, no guarda relación con la violación de CP en ningún sentido.
Lo que el campo sí ofrece es un modelo de cómo tratar una idea no probada. La leptogénesis es elegante, ampliamente creída y no establecida. Se la describe como escenario, sus partes no comprobables se nombran como tales y las comprobables se están comprobando. Esa es la forma honesta de sostener una hipótesis, y vale tanto para la investigación energética como para la cosmología.
Preguntas frecuentes
¿Qué significan C y P?
C es la conjugación de carga, que cambia cada partícula por su antipartícula. P es la paridad, que refleja el espacio. CP es la combinación, y durante mucho tiempo se supuso simetría exacta de la naturaleza.
¿Cuándo se observó por primera vez la violación de CP?
En 1964, en los decaimientos de kaones neutros, por James Cronin y Val Fitch. El efecto era de unas pocas partes por mil y obtuvo el Nobel de Física de 1980.
¿Por qué no basta la violación de CP conocida?
El efecto del sector de quarks se queda corto para explicar el exceso de materia observado en unos diez órdenes de magnitud. Es un déficit estructural, no algo que medidas mejores pudieran cerrar.
¿Cómo se comprueba con neutrinos?
Midiendo con qué frecuencia los neutrinos muónicos se convierten en electrónicos a larga distancia y repitiendo con antineutrinos. Si las probabilidades difieren, CP está violada. La materia terrestre crea una asimetría competidora que hay que separar.
¿Medirla explicaría por qué existe la materia?
No por sí sola. La conexión pasa por la leptogénesis, que además exige que el neutrino sea su propia antipartícula y compañeros pesados a energías inalcanzables. Una fase grande medida sería un indicio fuerte, no una prueba.
