Un paso para responder una de las incógnitas sobre el Universo

García ganó el galardón por su estudio basado en la elaboración de átomos y moléculas “exóticas”, creados artificialmente en un laboratorio, con los que ha contribuido a entender el origen de la materia y los elementos en el universo.

La teoría más conocida sobre el origen del universo se centra en el estallido hace 13.800 millones de años de un punto que era más pequeño que la cabeza de un alfiler y mil veces más caliente que la lava de un volcán. Estalló con tanta fuerza y potencia que originó la materia y, en una fracción de segundo, formó los miles de millones de galaxias de nuestro enorme cosmos. El universo se expandió con una velocidad incomprensible y pasó de ser del tamaño de una piedra a tener un alcance astronómico. Los astrofísicos llamaron a esta explosión el Big Bang.

Esa energía que se liberó con el estallido se condensó y se transformó en masa, generando todas las partículas fundamentales que conocemos. A medida que el universo se fue expandiendo, esa energía se volvió más “diluida” en el espacio, haciendo que el universo se enfriara y permitiera que la materia se formara tal como la conocemos. Los físicos explican este proceso utilizando el ejemplo de una cerveza fría. Cuentan que al abrir la botella se produce un efecto de enfriamiento y expansión –muy similar al que ocurrió con el universo– y el gas, que está confinado en el envase, se esparce en el aire y la temperatura del líquido comienza a descender.

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En fracciones de segundos aparecieron el espacio, el tiempo, la materia y la antimateria –que es como la versión negativa de la materia–. La teoría del Big Bang señala que durante la explosión se formó la misma cantidad de ambas, sin embargo, todo lo que está a nuestro alrededor está formado por materia. ¿Entonces qué pasó con la antimateria? ¿Es posible que se haya formado más materia que antimateria?

Esta es una de las principales incógnitas que la ciencia aún no responde y que los físicos están tratando de resolver. Uno de ellos es Ronald García Ruiz, físico de la Universidad Nacional y profesor asistente del Departamento de Física del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Recientemente fue galardonado con el Premio Nacional en Ciencias Exactas, Físicas y Naturales entregado por la Fundación Alejandro Ángel Escobar (FAAE) por su estudio basado en la elaboración de átomos y moléculas “exóticas”, creados artificialmente en un laboratorio, con los que ha contribuido a entender el origen de la materia y los elementos en el universo.

García, desde Estados Unidos donde está radicado desde hace dos años, explica como los modelos más fundamentales de la física de partículas se construyen a partir de asumir ciertas simetrías. Por ejemplo, si lanzamos un proyectil para la derecha y luego revertimos el tiempo, veríamos que el proyectil se mueve hacia la izquierda siguiendo exactamente la misma trayectoria, ya que las ecuaciones de la física son las mismas. “Pero si creemos que la naturaleza es tan simétrica como hasta ahora hemos podido observar, entonces tuvo que haberse originado la misma cantidad de materia que de antimateria al inicio del universo. Y ya sabemos que todo lo que observamos en nuestro planeta es más que todo materia. Las cantidades que observamos de antimateria son minúsculas”, apunta.

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Una de las razones que da García sobre por qué se generó más materia que antimateria es porque esas simetrías se tuvieron que haber violado, principalmente la simetría de reversión del tiempo, que es conocida como reversión simétrica. Básicamente esto quiere decir que las leyes de la física funcionan igual tanto hacia delante como hacia atrás en el tiempo. “Esta simetría se tuvo que romper para dar origen a más materia que antimateria. Por eso los físicos se han preguntado por muchos años cómo medir ese rompimiento. Se han observado pequeños rompimientos de simetrías, pero no lo suficientemente grandes para explicar el origen de la materia. El gran interrogante es cómo vamos a descubrir cuáles son esas asimetrías que se violaron para dar inicio al universo”, añade.

En la búsqueda de algunas pistas que ayuden a resolver esta incógnita se han desarrollado varios experimentos. Uno de ellos, cuenta García, consiste en colisionar (chocar) un número de partículas con altas energías. Se hace por medio de los aceleradores de partículas, que son unos dispositivos que utilizan campos electromagnéticos para hacer chocar partículas a altísima velocidad y provocar la aparición de nuevas. En este caso el ensayo se realizó en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), uno de los laboratorios de ciencia más grandes del mundo, donde García ha estado investigando durante los últimos 10 años.

Moléculas radioactivas para entender el origen del universo

Otro de los experimentos que se han desarrollado en los últimos años tiene que ver con las moléculas radioactivas o “exóticas” que lidera García. Por sus altos campos eléctricos internos y formas nucleares, que son únicas, estas moléculas son una especie de “laboratorios naturales” en los que se pueden probar las propiedades nucleares que violan las simetrías fundamentales de la naturaleza. “Digo que son exóticas porque son muy raras en la naturaleza y algunas de ellas no se pueden encontrar en nuestro planeta, pero pueden ser abundantes en procesos astrofísicos como explosiones estelares o fusiones de estrellas de neutrones”, dice García, quien nació en Fresno, Tolima.

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Para él, lo interesante de estas moléculas es que maximizan la violación de esas simetrías. ¿Cómo lo hacen? García lo explica con este ejemplo: las partículas fundamentales como el electrón se tienden a imaginar como esferas perfectas. Si se viola la simetría de la invariancia del tiempo, por ejemplo, entonces eso significaría que el electrón no es perfectamente simétrico o que los núcleos desarrollan ciertas deformaciones asimétricas. “Es como si en lugar de tener una naranja, se deforman como si fueran peras. Eso es una consecuencia de la violación de esas simetrías”.

Entonces, al fabricar estas moléculas en los laboratorios, los físicos las pueden diseñar de tal manera que el núcleo alcance deformaciones extremas que amplifican la violación de simetrías fundamentales y así se puedan medir con alta precisión esas violaciones y entender hasta qué grado se violan esas simetrías. “Con estos experimentos podremos dar respuestas a por qué existe más materia que antimateria en el universo”, dice García.

Esto también permite a los físicos y físicas estudiar otros fenómenos nucleares, como explicar cómo es el comportamiento del núcleo atómico, que aunque los usamos en diferentes tecnologías como la medicina y  plantas nucleares no tenemos teorías que puedan predecir con exactitud su comportamiento. “Cuando aumentan los neutrones, el núcleo comienza a tener formas diferentes a los núcleos estables y se vuelven radiactivos.  Esas propiedades son las que utilizamos para muchos fines, como por ejemplo el tratamiento de cáncer por radioterapia. Sabemos cómo emplear esa radioactividad; sin embargo, no sabemos el porqué del comportamiento de esos núcleos”, explica el investigador colombiano. A pesar de que estas moléculas han abierto una puerta para la ciencia, uno de los principales desafíos se centra en que solo se pueden producir en pequeñas cantidades a altas temperaturas y pueden tener una vida muy corta.

García y su equipo de trabajo, que han sido los líderes en la creación y estudios de precisión de moléculas radioactivas, aseguran que antes de sus mediciones se desconocían la estructura cuántica de estas moléculas. Jonas Karthein, quien hace parte del Laboratorio de Ciencias Nucleares de Boston, Estados Unidos, resalta la pasión con la que García ha liderado este estudio. “Nuestra investigación es fundamental, no obstante, no siempre es obvio para alguien fuera de nuestro campo. Él trata de ayudar a que todos entiendan por qué es importante seguir desarrollando estas moléculas”. Además, apunta: “él siempre está interesado en ti como persona y no únicamente como su empleado. Lo valoro como un amigo cercano”.

Fabián Pastrana Cruz integra el Laboratorio de Ciencias Nucleares de Boston y lleva trabajando 15 meses con García. Señala que “la claridad y la pasión con la que García habla sobre esta investigación de moléculas hace que te emociones y quieras saber más. Piensas que la física nueva detrás de estas ideas es prometedora”.

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Para García, este proceso, en el que lleva trabajando los últimos 10 años, “se asimila a intentar buscar una aguja en una habitación oscura que tiene cientos de metros de ancho. Ya que encontramos la aguja, podemos medir sus propiedades y empezar explorar algunos de los misterios del universo”, puntualiza. Actualmente en el MIT está creando un nuevo laboratorio y planea seguir expandiendo la red de laboratorios en diferentes partes del mundo para poder realizar nuevos experimentos con estas moléculas.