Como vimos en la entrada anterior, el desacoplamiento de los neutrinos coincide con otro fenómeno muy importante durante los primeros compases del Universo: la aniquilación de pares electrón-positrón. En esta entrada vamos a explicar en qué consiste dicho proceso, que posteriormente conectaremos (en una tercera entrada) con el valor de un parámetro cosmológico conocido como número efectivo de neutrinos.
Para entender el fenómeno de aniquilación de pares electrón-positrón, empezaremos recordando que los positrones son las antipartículas del electrón, esto es, comparten todas las propiedades del electrón, pero con ciertos valores (llamados números cuánticos) invertidos. El más conocido es la carga eléctrica, que en el caso del electrón es -1 y en el del positrón es +1, como la de un protón. Además, cuando una partícula y su antipartícula se encuentran, ambas se aniquilan liberando energía, que en el caso de un par electrón-positrón queda repartida en la mayoría de las ocasiones entre dos fotones.
Este desafortunado encuentro ocurría constantemente en el Universo temprano, donde los positrones eran casi tan abundantes como los electrones. En la actualidad apenas hay positrones en el Universo, algo así como uno por cada mil millones de electrones, y uno de los fenómenos que dio lugar a esta desigualdad fue precisamente la aniquilación de pares electrón-positrón. Sin embargo, antes de que ese proceso tuviera lugar, la reserva de positrones se mantenía llena gracias al fenómeno inverso a su aniquilación: la producción de pares a partir de dos fotones.
Como la energía ambiente del Universo temprano era muy alta (pues todavía no había sido diluida por la expansión cósmica), a partir de un par de fotones con la suficiente energía podía formarse un par electrón-positrón. De esta forma, electrones y positrones estaban siendo continuamente aniquilados y creados durante los primeros segundos de vida del Universo, manteniendo cierto equilibrio con el plasma cósmico.
Paremos un segundo. Nosotros estamos rodeados de fotones, pues son las partículas de la luz que captamos a través de nuestro sentido de la vista. ¿No significa esto que a nuestro alrededor también se están formando constantemente pares de electrones y positrones?
No exactamente. Aunque estemos rodeados de luz, es decir, de fotones, para que ocurra la formación de un par electrón-positrón hacen falta fotones de mucha más energía. Tengamos en cuenta que el espectro de luz visible (los fotones que nos permiten percibir los colores) engloba un rango de energía en torno a un millón de veces más pequeño que la energía necesaria para dar lugar a un par electrón-positrón. Realmente necesitamos unas condiciones similares en densidad y temperatura a las del universo temprano para que este proceso ocurra con frecuencia.
No obstante, ya hemos comentado que la expansión del Universo diluye la energía promedio de sus componentes, haciendo que su temperatura caiga conforme el espacio se dilata. Así pues, en el universo temprano llegó un momento en el que la energía de sus abundantes fotones no fue suficiente para la creación de pares electrón-positrón, con lo cual se produjo una ruptura del equilibrio que mantenían los fotones, electrones y positrones. A consecuencia de esta ruptura, los electrones y positrones comenzaron a aniquilarse a un ritmo frenético, hasta que solo sobrevivió una pequeña fracción de las partículas predominantes de uno de los dos conjuntos, que resultó ser el de los electrones. El porqué de que hayan sido los electrones y no los positrones los que ganaron la batalla, así como el motivo por el que haya habido siquiera un ganador, sigue siendo un misterio.
La siguiente figura muestra un esquema de la aniquilación de pares electrón-positrón.
En la figura, los electrones aparecen como círculos blancos de carga eléctrica negativa, los positrones como círculos negros de carga eléctrica positiva y los fotones como pequeñas ondas. El tiempo transcurre de izquierda a derecha a lo largo de los cuatro recuadros del dibujo.
El primer recuadro muestra un par electrón-positrón (rodeado en rojo) que va a aniquilarse para dar lugar a un par de fotones en el segundo recuadro. De igual modo, el par de fotones rodeado en azul del primer recuadro se convierte en un par electrón-positrón en el segundo. Como la temperatura del Universo desciende conforme el tiempo pasa y el Universo se expande, en el tercer y cuarto recuadro ya no se forman pares electrón-positrón a partir de dos fotones. Sin embargo, cuando un electrón y un positrón se encuentran, siguen aniquilándose, como ocurre con los dos pares señalados en verde y magenta del tercer recuadro. El cuarto recuadro muestra la situación final cuando todos los pares electrón-positrón se han aniquilado. Entonces solo vemos un electrón solitario como muestra de la pequeña fracción de estas partículas que sobrevive al fenómeno de aniquilación de pares. Los fotones, sin embargo, siguen existiendo.
No hemos incluido los neutrinos en esta imagen pues asumimos que ya están desacoplados, y su presencia no es relevante para entender el proceso de aniquilación entre electrones y positrones. No obstante, este proceso de aniquilación sí resulta ser muy importante para los neutrinos. La conexión que existe entre el desacoplamiento de los neutrinos y la aniquilación de pares electrón-positrón la veremos en una nueva entrada, en la que hablaremos del número efectivo de neutrinos.
