A la búsqueda de nueva física

Las estrellas y galaxias se mueven en el universo a mayor velocidad de la que deberían al considerar sólo su masa visible. Los cosmólogos explican este fenómeno postulando la existencia de materia y energía oscura. El grupo de investigación que integra Daniel López-Fogliani trabaja en la búsqueda teórica de señales de nueva física de partículas elementales y en supersimetría.

El cúmulo Bala consiste de dos cúmulos de galaxias en colisión. Los estudios hechos sobre este cúmulo, presentados en agosto de 2006, constituyen hasta ese momento la mejor evidencia en favor de la existencia de la materia oscura. Foto: NASA.

Quién sabe; tal vez las respuestas que expliquen los misterios del inmenso universo se encuentren escondidas en las más pequeñas partículas elementales. Es que el cosmos no es todo lo que parece ni todo lo que se creía. Sucede que la cantidad de materia que vemos no alcanza para explicar cómo funciona. Las estrellas se mueven más rápido de lo que deberían y eso se explicaría si las galaxias tuvieran una masa mayor que la que se obtiene con la suma de toda la materia observable (estrellas, planetas, gas y polvo). La realidad es que sólo estaríamos viendo el 15% de toda la materia del universo. El resto se trataría de materia no convencional que, en una primera aproximación, no absorbe ni emite radiación electromagnética (luz, ondas de radio, etcétera) y que por eso se le ha dado el nombre de materia oscura.

Los cosmólogos han postulado, también, la existencia de la llamada energía oscura. “La materia oscura constituye la mayor parte de la materia del universo, pero a la hora de considerar toda la energía del universo, es la energía oscura la que domina”, explica Daniel López-Fogliani, investigador en física de partículas elementales y astropartículas. Aunque materia y energía oscura forman la mayor parte de la energía del universo, no son lo mismo. La materia oscura es una forma de materia mientras que la energía oscura es simplemente una densidad de energía que ocupa todo el espacio, y produce una presión que tiende a acelerar la expansión del universo. La energía oscura actúa como una fuerza gravitacional repulsiva y aporta el 68% de la masa-energía total del universo.

Pero el grupo trabaja también en la interpretación teórica de señales de nueva física que puedan aparecer en distintos experimentos. “Nuestro grupo trabaja en la búsqueda teórica de señales de nueva física de partículas elementales. Especialmente en el marco de las extensiones supersimétricas más simples y mejor motivadas del modelo estándar”, agrega el físico.

La supersimetría podría relacionar las propiedades de partículas elementales. Según el modelo estándar de la física de partículas, la materia está formada por fermiones (leptones y quarks) y por bosones que son las partículas que transmiten las interacciones fundamentales de la naturaleza. La supersimetría extiende el número de partículas de manera que a cada fermión le corresponde un bosón, que es su compañero supersimétrico o súper compañero, y viceversa. Los científicos creen que estas compañeras supersimétricas tienen masas mayores que las de las partículas originales, aunque no las han descubierto aún. En ciertos casos, las partículas supersimétricas sin carga eléctrica pueden ser candidatas a materia oscura.

“Las extensiones supersimétricas del modelo estándar de las partículas elementales ofrecen un marco muy atractivo para trabajar porque permiten conciliar la cuántica con la gravedad hasta la escala reducida de Planck”, afirma López-Fogliani. “Esta escala es inaccesible experimentalmente. Estamos hablando de distancias realmente pequeñas que, para explorarlas, necesitaríamos energías 15 órdenes de magnitud mayores que las accesibles en el mejor acelerador de partículas actual, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por su sigla en inglés). Para dar una idea, 15 órdenes de magnitud es aproximadamente la diferencia entre el sistema solar y una hormiga”, agrega.

El bosón de Higgs es la única partícula de su tipo (espín cero) en el modelo estándar. En supersimetría, en cambio, partículas como esta existen como súper compañeras de las partículas ya conocidas con anterioridad al descubrimiento del Higgs. López-Fogliani ha propuesto, recientemente, que en la versión supersimétrica más simple, construida considerando que es necesario dar masa a los neutrinos, el bosón de Higgs puede interpretarse como el compañero supersimétrico de un nuevo leptón más masivo que los conocidos. “De esta forma todas las partículas que tienen espín cero son compañeras de un leptón o un quark. Esta situación es más satisfactoria desde el punto de vista teórico. Siguiendo este razonamiento puede incluso motivarse la existencia de nuevos quarks, que podrían estar próximos a ser descubiertos”, afirma.

Esto nos lleva a lo que quizás sea lo más importante, las extensiones supersimétricas del modelo estándar ofrecen la posibilidad de descubrir nueva física en experimentos que ya existen o pueden realizarse y por lo tanto pueden ser comprobadas o refutadas en un futuro cercano.

El equipo trabaja en lo que se conoce como fenomenología. “No nos dedicamos a cuestiones netamente formales, netamente teóricas, sino que nuestras predicciones deben ser contrastables, es decir corroboradas o refutadas experimentalmente en un futuro cercano”, explica López-Fogliani.

Por eso buscan nueva física con aceleradores como el LHC, en experimentos de materia oscura con el Telescopio Espacial Fermi (LAT), o en experimentos de física de neutrinos. “Los próximos años son muy prometedores en el área por la enorme cantidad de experimentos importantes que se están llevando a cabo”, afirma.

Paulina Knees, Andres Pérez, Daniel López-Fogliani, Osvaldo Santillán.

Grupo de Partículas elementales y astropartículas

(Instituto de Física de Buenos Aires, IFIBA – Departamento de Física)

2do. piso, Pabellón I, 4576-3390

http://www.df.uba.ar/es/investigacion/grupos/grupo/37

Investigadores: Daniel E. López-Fogliani  y Osvaldo Santillán
Tesistas de doctorado: Andrés Daniel Pérez
Tesistas de grado: Paulina Knees