El hecho de que estemos aquí es uno de los mayores enigmas de la física. Estamos hechos de partículas normales, como los electrones, pero cada partícula de este tipo tiene también una compañera de antimateria que es prácticamente idéntica a ella, pero con la carga opuesta. Cuando la materia y la antimateria entran en contacto, se aniquilan mutuamente en un destello de luz.
La física sugiere que la materia y la antimateria se crearon en cantidades casi iguales en el Big Bang. Entonces, ¿cómo es que hoy sólo queda materia? ¿Por qué la materia y la antimateria no se aniquilaron entre sí para dejar el universo sin vida? Nuestra nueva investigación ha permitido a los científicos construir un nuevo tipo de acelerador, basado en partículas llamadas muones, que podría ayudarnos a averiguarlo.
Un muón es casi idéntico a un electrón, excepto que es 207 veces más pesado. Además, se descompone en otras partículas en dos millonésimas de segundo. Este tiempo de vida, aunque corto para nosotros, es bastante largo para una partícula fundamental inestable, y esto explica por qué los muones constituyen casi todos los rayos cósmicos cargados que llegan a la superficie de la Tierra.
Mucha de nuestra capacidad para investigar la estructura de la materia en las distancias más cortas depende de la creación de haces de partículas y de su aceleración a altas energías. Sin embargo, sólo hay cuatro partículas estables que pueden utilizarse de este modo, el electrón y su antipartícula (positrón), y el protón y su antipartícula (antiprotón).
Los haces de partículas formados por éstas se han utilizado durante muchos años, aunque ambos pares tienen inconvenientes. El electrón y su pareja son muy ligeros: cuando intentamos acelerarlos, irradian energía electromagnética. Esto puede ser útil para aplicaciones como la televisión, pero hace difícil alcanzar el tipo de energías que necesitamos para mejorar nuestra comprensión del universo.
A diferencia de los electrones, el protón y el antiprotón están formados por partículas más fundamentales: quarks y gluones. En una colisión entre un protón y un antiprotón son estas partículas fundamentales las que realmente chocan, lo que da lugar a un choque de menor energía que el que se habría obtenido si los protones hubieran sido partículas verdaderamente fundamentales.
Los muones son lo suficientemente pesados como para irradiar mucha menos energía, pero fundamentales (no están formados por partículas más pequeñas), de modo que toda su energía está disponible para la investigación. Cuando los científicos crearon la partícula de Higgs, ganadora del premio Nobel, con protones, necesitaron una máquina de 10 km de diámetro: el Gran Colisionador de Hadrones. Una máquina de muones, sin embargo, podría conseguirlo con una circunferencia de sólo 200 metros.
La desventaja de los muones es que, a diferencia de los electrones y protones, son inestables y necesitan ser producidos y luego utilizados rápidamente antes de que todos decaigan. Podemos producir muones tomando un haz estrecho y de alta intensidad de protones y haciéndolo pasar por un blanco hecho de un metal, como el titanio. Esto produce un haz de otra partícula fundamental llamada pión.
Los piones forman un haz que se abre en abanico. Si el haz de protones original se parece a un puntero láser, el haz de piones se parece más a un haz de antorcha, cuya intensidad disminuye rápidamente con la distancia. Los piones se desintegran para producir los muones, lo que significa que el haz se extiende aún más, asemejándose a una bombilla.
No podemos acelerar un haz de este tipo en una máquina como el LHC, así que necesitamos crear un haz que se extienda mucho menos. Esto es un reto dado que sólo tenemos dos millonésimas de segundo para producirlo, acelerarlo y colisionarlo.
Pero nuestro equipo de físicos e ingenieros de todo el mundo -conocido como el Experimento de Enfriamiento de Ionización de Muones (MICE)- ha demostrado que es posible. Hemos utilizado un proceso conocido como enfriamiento para ayudar a comprimir el haz. Se trata de hacer pasar los muones a través de un contenedor con hidrógeno líquido a -250°C, lo que ralentiza las partículas. A continuación, las pasamos a través de una cavidad electromagnética, lo que hizo que el haz se acelerara en la dirección deseada.
Repitiendo esto varias veces es posible crear un haz que se dispersa mucho menos y tiene un núcleo denso. Este haz puede inyectarse en un acelerador de partículas para producir un haz de muones de alta energía. Dicho haz puede colisionar o dejarse circular hasta que los muones decaigan en un intenso haz de neutrinos, muy superior a cualquier haz de neutrinos que pueda producirse actualmente.
Probando el universo
De hecho, un haz de neutrinos creado a partir de muones forma parte de una proyectada Fábrica de Neutrinos, que permitiría responder a muchas preguntas relacionadas con el origen y la evolución del universo -como el misterioso desequilibrio entre materia y antimateria.
Los neutrinos también podrían ayudarnos a entender los detalles de cómo los elementos esenciales para la vida, como el oxígeno, el carbono y el silicio, que se forman en las estrellas, se extendieron por el universo. Estos elementos más pesados no se produjeron en el Big Bang y, sin embargo, son los responsables del planeta en el que vivimos y de toda la vida que nos rodea. Sabemos que las ráfagas de neutrinos, que se liberan en las explosiones estelares (supernovas), son las responsables.
También podríamos colisionar dos haces de muones de la misma manera que colisionamos protones en el LHC. Los muones, al ser más simples que los protones, permitirían determinar con mayor precisión las propiedades de la partícula de Higgs, por ejemplo.
Las propiedades del muón también lo convierten en una herramienta inestimable en el campo de la física de materiales. La capacidad de crear haces más estrechamente enfocados puede mejorar las mediciones actuales y abrir nuevos métodos de diagnóstico.
Nuestro método también puede utilizarse para ayudar a aumentar la intensidad de cualquier otro haz de partículas cargadas. Ha sido un proyecto largo que ha durado más de una docena de años, pero ha merecido la pena el esfuerzo si tenemos en cuenta la poderosa herramienta que hemos creado.