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Un minúsculo punto azul en el Universo fue la descripción del famoso astrónomo y también astrofísico Carl Sagan para referirse al planeta Tierra y su relación con esa “inmensa oscuridad cósmica” conocida como Universo. Sin duda, una sorpresa abrumadora, pero si de escalas “tipo pixel” se trata, la física de partículas vino a mostrar verdaderas y diminutas motas en un océano cósmico.

Son motas que, además, han arrojado cuestionamientos varios. Y Ulises Jesús Saldaña Salazar, estudiante de doctorado del IFUNAM, intenta con su trabajo de tesis responder uno de ellos: ¿existe una simetría entre las tres familias de partículas fundamentales?

Durante su ponencia del 28 de mayo titulada “Tres tristes tigres jugaron al Big Bang…”, como parte del Seminario de Estudiantes del IFUNAM, Saldaña Salazar presentó los últimos avances de su investigación bajo la tutela del profesor Alfonso Mondragón, investigador de física teórica, y con la colaboración de los doctores Liliana Velasco del CINVESTAV y Félix González, del IFUNAM.

Esta tabla muestra las tres familias de partículas elementales y las partículas mediadoras de fuerza (columna azul). Hasta ahora se sabe que la materia del Universo conocido está constituida por solo cuatro partículas elementales (quark up, quark down, electrón y neutrino del electrón) que forman parte de la primera familia (primera columna a la izquierda).

Saldaña empezó por analizar la manera en la que se distribuye la masa en las tres familias de partículas elementales y observaron que de las tres, la tercera adquiere mucha más masa en comparación con las otras dos.

Esta observación les permitió identificar un patrón definido en los diferentes sectores, lo que obligó a formular las siguientes preguntas: la forma en la que están adquiriendo masa las partículas, ¿está de acuerdo con una simetría? y, si es así, ¿qué simetría es ésta?

En el campo de la física de partículas, la simetría se describe como una transformación que se puede realizar en un sistema sin que ello altere ciertas propiedades físicas de éste. En el Modelo Estándar, el concepto de simetría es un eje rector dentro de las ecuaciones que lo componen, es decir, sus ecuaciones permanecen invariantes (no cambian de valor) ante cierto grupo de transformaciones relacionadas con las distintas simetrías de la teoría.

El Modelo Estándar identifica la existencia de 12 partículas elementales fermiónicas y describe los procesos de interacción entre estas a través de 12 partículas bosónicas.

Luego observaron que sin el mecanismo encargado de proporcionar masa a las partículas, el Modelo Estándar las considera como indistinguibles (todas son idénticas). Este hecho sugirió la presencia de una simetría de permutación de tres objetos (partículas idénticas) denominada S3.

"Por un lado vemos que hay un patrón bien definido en la forma en que adquieren la masa y por otro lado estamos viendo una simetría aparentemente de un triángulo (cuando no tiene masa). Uno se pregunta si habrá un acuerdo entre los dos escenarios: con y sin masa", dijo Saldaña a Noticias IFUNAM.

"Observamos que sí lo había -dijo- porque notamos que la estructura matemática del grupo de permutaciones está en acuerdo con la distribución de masa. Esta fue la primera señal de que íbamos por buen camino”.

El paso siguiente consistió en encontrar una conexión entre la teoría y los experimentos a partir de un modelo que fuera fenomenológicamente viable y que se logró gracias a las colaboraciones del doctor González y la doctora Velasco.

El modelo de la investigación, explicó Saldaña, consistió en agregar al Modelo Estándar neutrinos con masa más la simetría del triángulo (S3) y doce partículas tipo Higgs. “La doctora Velasco es experta en determinar el acuerdo entre teoría y experimento. Ella puede detectar con una serie de programas cuándo un modelo es bueno o no y fue la primera en comentarnos que el modelo era realmente bueno porque el ajuste era extraordinario”, explicó.

Saldaña apunta que las simetrías siguen jugando un papel fundamental dentro de la descripción de la naturaleza y que además en estas se ha encontrado información importante para el entendimiento de los fenómenos naturales que tiempo atrás no hubieran podido imaginarse.

¿Por qué existen tres familias de partículas elementales? Aún se desconoce la respuesta a esta pregunta, sin embargo, explica que su investigación tiene como último fin resolverlo.

Y mientras el Centro Europeo de Energía Nuclear (CERN) continúa buscando el bosón de Higgs, la investigación de Saldaña espera resultados positivos que le permitan continuar con el desarrollo del modelo, pues de comprobarse la existencia de esta partícula, su investigación doctoral contaría con una pieza esencial e imprescindible dentro de su modelo.

De lo contrario, tanto Saldaña como el CERN tendrían que modificar el rumbo de la investigación. “Si no hay Higgs… habría que considerar algún otro mecanismo que diera masa a las partículas y con éste dar forma a un nuevo modelo”, concluye.