Leptogénesis: la mejor explicación que tenemos de que haya algo
La página sobre violación de CP plantea el problema: el Big Bang debería haber creado materia y antimateria a partes iguales, deberían haberse aniquilado por completo, y que no lo hicieran es la razón de que exista algo. La leptogénesis es la propuesta principal sobre lo que ocurrió en su lugar. Es elegante, conecta varias piezas de física de neutrinos por lo demás inconexas, y depende de partículas que nadie producirá jamás en un acelerador, lo que la convierte en un caso útil de cómo sostener una idea que no se puede verificar.
Las tres condiciones y cómo las cumple
Andrei Sájarov expuso en 1967 lo que debe contener cualquier explicación del exceso de materia: un proceso que cambie el número bariónico, violación de C y de CP, y una desviación del equilibrio térmico. La leptogénesis cumple las tres, pero no en el orden que cabría esperar.
Empieza por los leptones y no por los bariones. En el universo temprano, neutrinos de Majorana muy pesados -los mismos que el mecanismo de balancín introduce para explicar por qué los neutrinos ordinarios pesan tan poco- decaen en leptones ordinarios y partículas de Higgs. Como esos neutrinos son sus propias antipartículas, pueden decaer en materia o en antimateria, y si CP está violada las dos tasas difieren ligeramente.
Eso deja al universo con algo más leptones que antileptones. La conversión en asimetría bariónica la realiza un proceso ya contenido en el Modelo Estándar, capaz a temperaturas muy altas de convertir leptones en bariones conservando cierta combinación de ambos. Alrededor de un tercio de la asimetría leptónica acaba como asimetría bariónica.
La desviación del equilibrio la aporta la expansión del universo: los neutrinos pesados decaen mientras el universo se enfría más deprisa de lo que las reacciones inversas pueden seguir, de modo que la asimetría no se borra de inmediato.
Por qué se toma en serio
Lo atractivo es que no hay que inventarla al efecto. Los neutrinos pesados de Majorana que necesita son los ya propuestos para explicar la pequeñez de la masa del neutrino. La violación de CP que requiere es del tipo que los experimentos miden ahora en neutrinos ordinarios. El proceso de conversión ya forma parte del Modelo Estándar.
Dicho de otro modo: un mecanismo introducido para resolver un problema resuelve, sin hipótesis añadidas, un segundo aparentemente inconexo. Esa economía es lo que los físicos quieren decir al llamar elegante a una idea, y es razonable encontrarla persuasiva.
Las cifras aproximadas también encajan. Producir una asimetría de una parte en mil millones, que es lo observado, exige masas de neutrinos pesados en un rango que el balancín sugiere de forma independiente. No es una predicción precisa, porque hay demasiados parámetros desconocidos, pero el mecanismo cae en la región correcta en lugar de tener que ajustarse hasta ella.
Conviene dejar claro que ser elegante y económica no es una prueba. Es una razón para investigar, no para creer.
Qué puede comprobarse y qué no
Los neutrinos pesados suelen situarse en 10^9 GeV o más. El Gran Colisionador de Hadrones alcanza unos 10^4. Ningún acelerador construible producirá uno, así que el actor central de la historia no se observará nunca de forma directa.
Lo que sí puede comprobarse son las condiciones previas. El número leptónico debe violarse, algo que demostraría el doble decaimiento beta sin neutrinos y que no se ha observado. El neutrino debe ser una partícula de Majorana, lo que el mismo experimento zanjaría. Y debe haber violación de CP en el sector leptónico, que DUNE e Hyper-Kamiokande están construidos para medir.
Ninguno de esos resultados probaría la leptogénesis. La violación de CP medida en oscilación no es necesariamente la misma fase que actuó en el universo temprano; la conexión depende del modelo. Lo que harían es eliminar las vías por las que el mecanismo podría descartarse, una forma de apoyo más débil pero real.
A la inversa, una demostración firme de que el neutrino es una partícula de Dirac cerraría por completo la versión estándar de la leptogénesis. La idea es falsable en principio aunque no sea comprobable de forma directa, y esa distinción es lo que la mantiene dentro de la física y no fuera.
Sostener una idea que no puedes verificar
La leptogénesis merece una página en estas páginas por una razón que va más allá de la cosmología. Es un ejemplo bien llevado de cómo un campo serio maneja una explicación que no puede confirmarse directamente, y ese manejo es lo que la hace respetable, no la idea en sí.
El mecanismo se describe siempre como escenario. Sus componentes incomprobables se nombran como tales en lugar de disimularse. Las partes comprobables se están comprobando, con un gasto considerable, mediante experimentos diseñados explícitamente para poder fallar. Y la comunidad afirma abiertamente que un resultado nulo en el lugar adecuado la liquidaría.
Esa es la diferencia entre una idea no verificada y una infalsable. La primera es ciencia corriente en curso. La segunda no es ciencia en absoluto, y en esa frontera es donde más importa un lenguaje cuidadoso.
El mismo criterio vale para cualquier afirmación sobre un nuevo mecanismo energético, incluida la investigación neutrinovoltaica. Lo que cuenta no es si una explicación es elegante ni si es la única disponible, sino si nombra qué la refutaría y después va a buscarlo. Nuestro explicador sobre energía libre aplica esa prueba a nuestro propio campo; la leptogénesis muestra cómo se ve cuando toda una disciplina se la aplica a sí misma.
Preguntas frecuentes
¿Qué problema resuelve la leptogénesis?
Por qué el universo contiene materia. El Big Bang debería haber producido cantidades iguales de materia y antimateria, que se habrían aniquilado por completo. La leptogénesis propone un mecanismo que dejó atrás un pequeño exceso de materia.
¿Por qué leptones y no bariones directamente?
Porque los neutrinos pesados de Majorana son leptones, y sus decaimientos con violación de CP producen una asimetría leptónica. Un proceso ya presente en el Modelo Estándar convierte después cerca de un tercio en asimetría bariónica a alta temperatura.
¿Qué tiene que ver con la masa del neutrino?
Los neutrinos pesados que necesita son los mismos que el mecanismo de balancín introduce para explicar por qué los neutrinos ordinarios son tan ligeros. Que un mecanismo aborde dos problemas inconexos explica en buena parte que se tome en serio.
¿Puede comprobarse la leptogénesis?
Directamente no: los neutrinos pesados están muy por encima de cualquier acelerador. Sus condiciones previas sí: la violación del número leptónico mediante el doble decaimiento beta sin neutrinos y la violación de CP leptónica mediante DUNE e Hyper-Kamiokande.
¿Es física establecida?
No. Es la propuesta principal, es elegante y económica, y no está confirmada. Una demostración firme de que el neutrino es una partícula de Dirac cerraría por completo su versión estándar.
