Físico de la UNNE propone teoría que ayudaría a detectar efectos moleculares aún no observados

Como parte de una colaboración científica que está desarrollando en la Universidad de Groningen (Países Bajos), el doctor Agustín Aucar desarrolló formulaciones teóricas que predicen algunos efectos que hasta el momento no fueron detectados experimentalmente.

Las leyes naturales que gobiernan todas las interacciones que conocemos, desde las que tienen lugar en los núcleos atómicos hasta las que explican el comportamiento de estrellas y galaxias, pueden explicarse mediante las cuatro fuerzas fundamentales que existen en la naturaleza.

Esas fuerzas o interacciones son las responsables de todo lo que existe a escalas microscópica y macroscópica. En este contexto se inscribe el esfuerzo de cientos de científicos de todo el mundo que, desde finales del siglo XIX y hasta nuestros días, buscan por distintos caminos una “Teoría Unificada” que permita reconciliar estas cuatro interacciones.

El desafío de ahondar en algunas de estas fuerzas fundamentales, tomado con una gran carga de pasión, encuentra a Agustín Aucar, Doctor en Física y docente en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura de la UNNE, como protagonista de una colaboración científica que se está llevando a cabo en la Universidad de Groningen (Países Bajos) junto a la doctora Anastasia Borschevsky, investigadora del Van Swinderen Institute for Particle Physics and Gravity de la misma universidad neerlandesa.

Esta cooperación científica se inició con una propuesta por parte del propio Aucar, y comenzó a desarrollarse a distancia en plena pandemia, dando lugar en el año 2021 a la publicación de sus investigaciones en una prestigiosa revista científica. Por estos días, este investigador de la UNNE está a punto de cerrar su segunda estadía trimestral en Groningen en lo que va de este año 2022, contando con resultados recientes que serán publicados en breve en una revista de relevancia global en el área de la física atómica y molecular.

Hoja de Ruta. El mismo Aucar explica el trabajo que ha venido realizando hasta el momento en colaboración con la doctora Borschevsky: “Básicamente, estamos buscando formulaciones teóricas que nos permitan construir modelos fìsico-matemáticos que nos lleven a predecir los órdenes de magnitud que tendrían algunas propiedades moleculares que violan una simetría de la naturaleza, la de paridad”.

Los estudios teóricos realizados por Aucar y sus colaboradores de la Universidad de Groningen se convierten así en una suerte de hoja de ruta para grupos de científicos dedicados exclusivamente a la experimentación en laboratorios de física. “Nuestro trabajo teórico ayuda a los experimentalistas en la búsqueda de propiedades que aún no han sido detectadas, sugiriéndoles sistemas moleculares que podrían ser óptimos para alcanzar este objetivo, y que tienen características que nosotros podemos predecir con un nivel de precisión elevado”.

“De esta forma, sería posible demostrar si algunos fenómenos que predice el Modelo Estándar son detectables en moléculas, y así asignar a esta Teoría (o no) un mayor grado de validez”, aporta el investigador.

¿Qué es el Modelo Estándar de la Física de Partículas?

Es una teoría cuántica que goza de gran consenso y domina hoy en el campo de la Física. Este modelo logró unificar tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza (la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil), permitiendo describir la estructura de la materia a partir de estas interacciones. Ante el desafío de encontrar una teoría unificadora que explique todas las Leyes de la Naturaleza, éste es el Modelo que actualmente se encuentra más próximo a alcanzar este gran objetivo. Ahora bien, aún queda un largo camino por recorrer, puesto que la cuarta fuerza fundamental, la de la gravedad, sigue siendo incompatible con los modelos matemáticos que describen el mundo cuántico.

Para entender el funcionamiento de este gran rompecabezas, es necesario comprender que la física cuántica describe el comportamiento de todo lo que ocurre en el mundo microscópico, aquel del que forman parte átomos y moléculas. Estas partículas se mueven e interactúan unas con otras de manera distinta a como lo hacen las pelotas de tenis, los automóviles, los planetas y todo lo que pertenece al mundo macroscópico.

Violación de Paridad

Como parte del proyecto del que participa, Aucar está particularmente involucrado en la búsqueda de unos efectos que predice el Modelo Estándar, relacionados con lo que se denomina “violación de paridad”. “El Modelo Estándar predice la existencia de algunos efectos moleculares que hasta la fecha no fueron detectados experimentalmente. En consecuencia, hay una búsqueda muy intensa en esta dirección, tendiente en última instancia a probar si realmente el Modelo Estándar es válido al ser aplicado a estos sistemas, o es necesario buscar nueva física más allá del Modelo Estándar”.

El aporte del investigador de la UNNE se centra en el planteo de formulaciones teóricas que combinan cuántica y relatividad especial y que, luego de ser introducidas al programa computacional DIRAC, ofrecen una serie de modelos que permiten estimar los parámetros que los experimentalistas deberán buscar en el laboratorio.

“Es necesario tener un conocimiento previo de cuáles son los tipos de moléculas que podrían ser más adecuados para esta búsqueda experimental, y es ahí donde entra el aporte de la doctora Borschevsky, ya que en los últimos años ella ha estudiado efectos de violación de paridad en distintas propiedades de átomos, sumándose recientemente al estudio de moléculas”.

DIRAC. Además de su aporte teórico, el manejo del programa DIRAC es un valor agregado que Aucar llevó al proyecto de investigación de Groningen. Es el único representante de una institución latinoamericana que figura como desarrollador del código.

De hecho, una nueva versión de este programa (DIRAC-23.0) que es muy utilizado en la comunidad científica internacional en el área de la física molecular, incluirá las implementaciones computacionales que desarrolló en el marco de esta investigación. Este aporte permitirá a la comunidad científica global realizar cálculos de propiedades que hasta el momento nadie más ha hecho.

¿En qué consiste el fenómeno de “violación de paridad” que Aucar busca identificar en moléculas?

Existe una característica, que se conoce como “simetría de paridad espacial”, que se encuentra al estudiar dos de las tres fuerzas fundamentales del Modelo Estándar: en las interacciones electromagnéticas y en las nucleares fuertes. Sin embargo, desde la década de 1950 se sabe que la fuerza nuclear débil rompe esta simetría.

¿A qué se refiere este fenómeno? Si observo un sistema colocado frente a un espejo, las interacciones que existen de un lado del espejo deben ser las mismas que del otro lado, siempre y cuando estas interacciones tengan simetría espacial. Esto no ocurre cuando se consideran las fuerzas nucleares débiles, y en esa dirección se orientan las búsquedas teóricas que emprendieron los doctores Aucar y Borschevsky.

Una hipótesis en discusión, a la que adhieren muchos científicos pero que también cosecha elementos que la ponen en duda, es que esta “violación de paridad” podría estar detrás de un fenómeno crucial para la existencia de la vida: ciertas moléculas quirales (aquellas que no pueden superponerse con la imagen de sí mismas que les devolvería un espejo -las manos izquierda y derecha cumplen esta propiedad-) abundan en la naturaleza más en un tipo que en el otro. Las interacciones nucleares débiles podrían estar detrás de esta constatación.

En toda esta búsqueda, Aucar se ampara en el estudio de dos propiedades moleculares muy específicas, ambas originadas en fenómenos que sólo la física cuántica puede explicar. Vale bien mencionarlas, para que el lector interesado puede ampliar: son el apantallamiento magnético nuclear (propiedad en la que el grupo de Física Atómica y Molecular de la UNNE es especialista a nivel mundial) y la constante de acoplamiento spin-rotación.

Nueva Física

Agustín Aucar es chaqueño, graduado en la FaCENA de la UNNE primero como Licenciado en Física y luego como Doctor en Física. En el 2015 concluyó sus estudios doctorales con un trabajo en el área de la física cuántica relativista, bajo la dirección del Dr. Martín Ruiz de Azúa (UBA).

Desde el 2018 es miembro de la Carrera del Investigador Científico del CONICET, y paralelamente desarrolla labores de docencia en la FaCENA, en el Área de Electromagnetismo, habiendo participado del dictado de cursos como Electricidad y Magnetismo, Óptica y Sonido, Introducción a la Mecánica Cuántica Relativista, y Estructura Electrónica Molecular, entre otros.

Concluyendo su doble estadía en Groningen -la primera fue entre Febrero y Abril, y la segunda, de Agosto a mediados de Noviembre de 2022-, y antes de regresar a Argentina, Aucar ha sido invitado a participar de una estancia de investigación más prolongada en los Países Bajos, con la intención de llevar adelante una línea de investigación de frontera que se está desarrollando en aquel centro científico. La propuesta tiene que ver con la búsqueda experimental del momento dipolar eléctrico del electrón, empleando sistemas moleculares.

“Se trata de nueva física, conceptos que están en la frontera del conocimiento y que no pueden ser explicados por el Modelo Estándar”, indica Aucar. De aceptar, estará frente a un desafío profesional de aquellos que pocas veces se presentan. La Universidad de Groningen es uno de los muy pocos centros de investigación en el mundo (compite solamente con universidades de Estados Unidos) que dispone de equipamiento de última generación para realizar este tipo de búsquedas.

Al concluir, el investigador del NEA señala que “en pocos días regreso a la Facultad con esta nueva propuesta bajo el brazo, y nada menos que a seguir haciendo investigación en temas de punta. Quizás pronto pueda continuar con la colaboración en Groningen, en este ambiente de sinergia que es muy enriquecedor”.

Para Aucar, el desafío de conocer más y mejor a la naturaleza sigue estando latente, y seguramente irá en ese sentido.

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