La asimetría de la materia-antimateria que nos permitió existir: qué es la violación de la simetría CP, predicha hace más de medio siglo

por Eugenio M. Fernández Aguilar

Un experimento del CERN ha detectado por primera vez que los bariones violan la simetría CP, una diferencia sutil pero crucial entre materia y antimateria. Este hito, publicado en Nature, confirma una predicción de hace más de medio siglo y ha sido posible gracias, en parte, a la destacada participación de varios equipos científicos españoles en el detector LHCb.

En un estudio histórico publicado en la revista Nature, un experimento LHCb del CERN ha detectado por primera vez una violación de la simetría CP en bariones, un tipo de partículas fundamentales que forman la materia común del universo. Este hallazgo, largamente esperado por la comunidad científica, confirma una predicción formulada hace más de medio siglo y aporta una pieza clave para resolver uno de los mayores misterios de la física moderna: por qué existe más materia que antimateria. La colaboración internacional ha contado con una participación destacada de investigadoras e investigadores españoles, entre ellos los grupos de las universidades de Santiago de Compostela, Barcelona, Valencia y del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), que han contribuido tanto al diseño del experimento como al análisis de los datos.

En este artículo explicamos en profundidad qué significa violar la simetría CP, por qué esta predicción es tan relevante y cómo el nuevo resultado del CERN podría abrir la puerta a una física más allá del modelo estándar. Lo hacemos en formato de preguntas y respuestas, desgranando los conceptos de forma clara y comprensible para cualquier lector interesado en los secretos del universo.

¿Qué es la simetría carga-paridad (CP) y qué significa violarla?

La simetría CP combina dos transformaciones fundamentales en física: la conjugación de carga (C), que convierte una partícula en su antipartícula (cambiando la carga y otros números cuánticos), y la paridad (P), que invierte las coordenadas espaciales como en un espejo. Si las leyes de la física permanecen iguales al aplicar dos transformaciones clave, decimos que la simetría CP se conserva. Estas dos transformaciones son:

• C (conjugación de carga): convierte una partícula en su antipartícula, es decir, cambia su carga y otras propiedades cuánticas. Por ejemplo, un electrón pasa a ser un positrón.

• P (paridad): invierte las coordenadas espaciales, como si miráramos el sistema en un espejo. Lo que estaba a la izquierda pasa a estar a la derecha, y viceversa.

Cuando ambas operaciones se aplican al mismo tiempo —convertir la partícula en su antipartícula y reflejar su movimiento en el espacio—, se esperaría que las leyes físicas no cambien. Pero eso no siempre ocurre.

Violar la simetría CP significa que, tras ese doble cambio, la naturaleza no se comporta igual. En otras palabras, ciertos procesos físicos suceden de forma diferente en la materia y en la antimateria. Esta ruptura de simetría, que hasta 1964 se creía imposible, revela que las leyes fundamentales del universo tienen una preferencia: no son perfectamente neutras entre una y otra.

Esta violación de simetría CP es un fenómeno sutil. Se manifiesta, por ejemplo, como una ligera diferencia en la probabilidad de ciertos procesos de desintegración cuando comparamos una partícula y su antipartícula. Detectar esas pequeñas discrepancias requiere experimentos muy precisos. Aun así, su existencia es de enorme importancia: indica que las leyes de la física tienen una preferencia por la materia sobre la antimateria en ciertas interacciones. Que la simetría CP se pueda romper es crucial para explicar por qué nuestro universo está dominado por materia (protones, neutrones, electrones) y prácticamente no contiene antimateria equivalente.

Esta figura muestra cómo los físicos reconstruyen la "firma" de una partícula a partir de sus productos de desintegración. Comparando los bariones de materia y antimateria (Λᵇ⁰ y anti-Λᵇ⁰), se observan sutiles diferencias que apuntan a una violación de simetría CP. El ajuste de las curvas permite identificar los distintos tipos de desintegración y separarlos del ruido de fondo. Fuente: Nature

Un juego de ajedrez con piezas negras y blancas: una analogía para entender la simetría CP

Imagina una partida de ajedrez en la que intercambias todas las piezas blancas por negras y luego giras el tablero como si lo vieras desde el otro lado. A simple vista, el juego debería mantenerse igual: las reglas son las mismas, el tablero es simétrico, y cada jugada tendría su equivalente. En un mundo perfectamente equilibrado, esa inversión de colores y perspectiva no debería alterar nada. El jugador que antes tenía las blancas ahora juega con negras, y todo sigue su curso como si nada hubiera cambiado.

Pero en el universo subatómico, esa simetría no siempre se respeta. Si aplicamos ese doble cambio —intercambiar materia por antimateria y reflejar el espacio—, el "tablero" de la física responde de forma diferente. Algunas jugadas que antes eran posibles dejan de serlo, otras suceden con más o menos frecuencia, y el desenlace ya no es el mismo. Eso es lo que revela la violación de la simetría CP: que las reglas fundamentales del universo no son completamente neutrales, y que hay una preferencia sutil pero real por la materia frente a la antimateria.

¿Por qué se predijo hace décadas la violación de esta simetría?

La idea de la violación de CP surgió para responder a uno de los grandes enigmas cosmológicos: ¿por qué existe más materia que antimateria en el universo? Según los modelos cosmológicos, el Big Bang debió crear cantidades iguales de materia y antimateria. Si ambas se comportasen exactamente igual, se habrían aniquilado por completo, dejando un universo sin materia ordinaria. En 1967, el físico soviético Andréi Sájarov propuso que para que sobrara materia tras el Big Bang debían cumplirse tres condiciones. Una de ellas era precisamente la violación de la simetría CP. Esto implicaba que materia y antimateria no tuvieran comportamientos perfectamente simétricos, permitiendo un ligero exceso de materia sobre antimateria con el paso del tiempo. Sin esa preferencia por la materia, toda la materia se habría cancelado con la antimateria poco después de nacer el universo.

En resumen, Sájarov predijo hace más de medio siglo que la física debía contener algún mecanismo que rompiera la simetría CP. Solo así podría explicarse que, tras la gran aniquilación mutua entre materia y antimateria en el universo temprano, quedara ese pequeño excedente de materia que conforma las estrellas, planetas y nosotros mismos. Su propuesta sentó las bases teóricas para buscar la violación CP en distintos procesos subatómicos, con la esperanza de entender el origen de la asimetría materia-antimateria.

Andréi Sájarov, quien predijo la violación de la simetría CP, fue galardonado con el Premio Nobel de la Paz en 1975. Fuente: Wikipedia

¿Se había observado antes la violación de CP en otras partículas?

Sí. La violación de la simetría CP fue descubierta por primera vez en 1964. En ese año, los físicos James Cronin y Val Fitch observaron que unas partículas llamadas mesones K (mesones kaon) no se desintegraban de forma idéntica que sus contrapartes de antimateria, revelando una pequeña diferencia en su comportamiento. Este descubrimiento fue revolucionario, pues demostró que las leyes de la naturaleza no son completamente simétricas entre materia y antimateria. Desde entonces, se han detectado más casos de violación CP en distintos mesones. Por ejemplo, se observaron nuevas violaciones CP en mesones que contienen cuark fondo a principios de la década de 2000, y más recientemente en mesones con cuark encantado en 2019. Los mesones son partículas subatómicas compuestas por un par de cuarks (un cuark y un anticuark).

Sin embargo, nunca antes se había comprobado experimentalmente la violación de CP en bariones. Los bariones (como los protones y neutrones que constituyen la materia común) son partículas compuestas por tres cuarks. Aunque los físicos esperaban que los bariones pudieran mostrar violaciones de CP similares a las de los mesones, durante décadas de experimentos no se había logrado detectar ninguna diferencia significativa en el comportamiento de bariones y anti-bariones. Esta ausencia era intrigante, dado que los bariones forman la mayor parte de la materia visible del universo. En esencia, hasta ahora toda violación de CP conocida ocurría en partículas exóticas (mesones inestables producidos en laboratorios), pero no en los protones, neutrones u otros bariones de la materia ordinaria.

¿Qué es el experimento LHCb del CERN?

LHCb son las siglas de "Large Hadron Collider beauty experiment". Es uno de los grandes detectores de partículas instalados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, en la frontera franco-suiza. A diferencia de experimentos de propósito general como ATLAS o CMS, el detector LHCb está especializado en estudiar la física del cuark b (también llamado cuark fondo). Uno de sus objetivos principales es medir con precisión los parámetros de violación de la simetría CP en desintegraciones de hadrones que contengan este tipo de cuark.

En la práctica, LHCb actúa como un laboratorio para observar diferencias entre materia y antimateria. Cuando los protones colisionan en el LHC, se producen abundantes partículas que contienen cuark b y también sus antipartículas equivalentes. El diseño de LHCb le permite identificar con gran detalle las partículas que resultan de estas colisiones y medir cómo se desintegran. Gracias a su especialización, LHCb ha sido la herramienta ideal para buscar violaciones de CP en sistemas que antes no se habían explorado con tanta sensibilidad, como ciertos bariones pesados que contienen cuarks b.

Dos posibles rutas de desintegración para el barión Λ⁰: una más directa y otra que involucra una compleja interacción cuántica. Estas diferencias sutiles en los caminos de desintegración pueden alterar el equilibrio entre materia y antimateria, y revelar una violación de la simetría CP. Fuente: Nature

¿Qué descubrieron recientemente los científicos de LHCb sobre la simetría CP?

Los investigadores de LHCb observaron por primera vez la violación de la simetría CP en la desintegración de un barión. En concreto, estudiaron un tipo de barión conocido como Lambda-b (Λ⁰_b), que está compuesto por tres cuarks (uno de ellos un cuark b). Al comparar miles de desintegraciones de Λ⁰_b con las de su antipartícula correspondiente (el anti-Λ⁰_b), encontraron una asimetría clara en las frecuencias de decaimiento. Es decir, la probabilidad de que el barión Λ⁰_b se desintegre en ciertos productos no es la misma que la de su anti-barión equivalente. Esto demuestra definitivamente que las leyes de la física distinguen entre este barión y su versión de antimateria, confirmando la violación de CP en bariones por primera vez en la historia.

El resultado de LHCb, publicado en la revista Nature, es un hito importante en la física de partículas. Supone la primera confirmación experimental de que bariones y anti-bariones pueden comportarse de forma diferente. Hasta ahora esto era solo una predicción teórica del Modelo Estándar, basada en el mecanismo de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) que describe cómo se mezclan los cuarks bajo la interacción débil. La medición de LHCb confirma esas predicciones en el caso de los bariones: efectivamente, el barión Λ⁰_b muestra una preferencia en sus desintegraciones que su anti-partícula no comparte. Como explica el propio equipo científico, liderado por la investigadora Xueting Yang, “el desequilibrio entre materia y antimateria requiere la existencia de una violación de CP”, y ahora han logrado detectarla en colisiones protón-protón del LHC.

Expertos independientes han resaltado la relevancia del hallazgo. Por ejemplo, el físico Javier Fernández Menéndez (Universidad de Oviedo) señaló que este resultado era “largamente buscado y esperado” y que constituye una pieza clave para entender por qué estamos hechos de materia y no de antimateria, aunque subraya que es solo un “pasito más en el largo camino de la ciencia”. En otras palabras, se ha logrado un objetivo perseguido durante décadas: observar directamente cómo la materia y la antimateria no se comportan igual en las partículas que forman la materia común.

Un poco más a fondo

Estos son los dos procesos de desintegración que los físicos han comparado cuidadosamente. En el primero, el barión Λ⁰_b​, formado por tres cuarks (u, d y b), se descompone en un protón, un kaón negativo y dos piones. En el segundo, su antipartícula realiza un proceso análogo, pero con partículas de antimateria. Si la simetría CP se cumpliera, ambos decaimientos deberían ocurrir con la misma probabilidad y bajo las mismas condiciones. Sin embargo, el experimento ha observado una diferencia estadísticamente significativa entre ambos casos, revelando una nueva violación de esta simetría fundamental.

Desintegración del barión:

Desintegración del antibarión:

¿Este resultado explica por completo la ausencia de antimateria en el universo?

No del todo. Si bien la observación de LHCb confirma que la violación de CP ocurre en los bariones, la magnitud de esta violación dentro del Modelo Estándar es insuficiente para explicar por sí sola la enorme asimetría materia-antimateria del universo. El mecanismo de violación CP conocido (incorporado en la matriz CKM del Modelo Estándar) efectivamente produce diferencias entre materia y antimateria, pero los cálculos indican que dichas diferencias son demasiado pequeñas para haber generado el desequilibrio cosmológico actual. Según la catedrática Pilar Hernández (Universidad de Valencia), contrastar el resultado experimental con las predicciones teóricas es fundamental para determinar “si hay o no efectos más allá del Modelo Estándar que puedan estar contribuyendo a este proceso”, ya que sabemos que la asimetría producida solo por el Modelo Estándar no basta para explicar el universo.

En resumen, el descubrimiento de LHCb no resuelve por sí mismo el misterio cosmológico, pero sí aporta una pieza nueva y muy valiosa para estudiarlo. Implica que vamos por el camino correcto al explorar la violación de CP como una de las claves del predominio de la materia. Aun así, para entender completamente por qué el universo visible carece casi por completo de antimateria, es probable que debamos encontrar nuevas fuentes de violación CP (fenómenos adicionales o nuevas partículas) más allá de lo que describe el Modelo Estándar. Los físicos consideran que tales fuentes adicionales deben existir, y experimentos como LHCb nos acercan a detectarlas.

¿Cómo podría este descubrimiento abrir la puerta a nueva física?

Este hallazgo marca el inicio de una nueva etapa, tanto teórica como experimental, en la exploración del universo a nivel subatómico. El hecho de haber observado violación de CP en bariones por primera vez significa que ahora podemos estudiar este fenómeno en un ámbito completamente nuevo, lo que ofrece una ventana inédita para buscar física más allá del Modelo Estándar. Cada vez que se descubre una discrepancia o una nueva manifestación de cómo materia y antimateria difieren, se abre la posibilidad de que existan nuevas partículas o interacciones no contempladas en la teoría actual. Como señalan los investigadores de LHCb, encontrar los detalles de esta violación de simetría en bariones permitirá “avanzar en la búsqueda de nueva física”.

En otras palabras, aunque el resultado obtenido concuerda, hasta donde sabemos, con las explicaciones del Modelo Estándar, amplía el horizonte de nuestra búsqueda. Ahora los físicos pueden investigar con más detalle las desintegraciones de bariones y comparar cuantitativamente los datos con las predicciones. Si en ese escrutinio fino aparecieran desviaciones inesperadas (por ejemplo, una asimetría mayor de lo previsto), sería una señal de que hay algo nuevo operando en el mundo subatómico. Descubrimientos de este tipo podrían cambiar la física para siempre, revelando teorías más completas que expliquen el origen de la asimetría del universo. En definitiva, la confirmación de esta predicción de hace medio siglo no solo llena un vacío en nuestro conocimiento, sino que abre nuevas vías hacia una física más allá del Modelo Estándar. Cada paso en este camino nos acerca a desvelar por qué existe algo en lugar de nada, es decir, por qué prevalece la materia –y con ella, la vida y el cosmos tal como lo conocemos– en nuestro universo.