Explorando los bordes del conocimiento en las altas energías

A finales del año pasado, el nuevo Instituto Milenio de Física Subatómica en la Frontera de Altas Energías (SAPHIR) fue una de las propuestas que se adjudicó el concurso de la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID) para la creación de Institutos Milenio en Ciencias Naturales y Exactas. Este centro de investigación de excelencia interinstitucional es liderado por Sergey Kuleshov, académico de la Universidad Andrés Bello, y por Francisca Garay, académica de la Facultad de Física de la Pontificia Universidad Católica de Chile, como directora alterna. 

Además, por su carácter interinstitucional, SAPHIR contará con la participación de académicos de la Universidad Técnica Federico Santa María (USM), Universidad de La Serena (ULS) y la Universidad de Tarapacá (UTA).

“Era hora de unificar los esfuerzos en esta área en Chile”, dice Francisca Garay. La académica UC cuenta que esta postulación nació desde la necesidad de adquirir fondos para terminar y mantener los compromisos locales con proyectos para el detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones (o LHC por sus siglas en inglés), el acelerador de partículas más grande y de mayor energía existente: La máquina más grande construida por el ser humano en el mundo.​​ “El equipo de SAPHIR me invitó a participar como directora alterna, lo cual acepté de inmediato con mucha honra”, recuerda.

Mira el tour que realizó la BBC dentro del Gran Colisionador de Hadrones:

Tras un largo período de duro trabajo y muchas horas sin dormir, el equipo logró una propuesta para el instituto SAPHIR. “Varios meses después, nos comunicaron que quedamos seleccionados para la entrevista. Esto fue en la época del 18 de septiembre, por lo tanto trabajamos arduamente en nuestra presentación con una empanada en la mano y la otra en el computador”, recuerda la académica UC. Además, destaca el fuerte apoyo tanto de la UC como de la UNAB.

En diciembre se adjudicaron la propuesta, una noticia increíble. Todo el trabajo valió la pena. “Para mí, personalmente, fue impactante, porque veo en esto la culminación de años de esfuerzo, por parte de los investigadores que me criaron, para que la física de altas energías sea un campo de la física que pueda aportar a Chile”, afirma. 

No obstante, esto es solo el comienzo. El desafío ahora es lograr que este campo se consolide aún más, y que, de aquí a diez años, sea un área tan reconocida como lo es la astronomía hoy en día.

Un aporte al conocimiento humano y a las nuevas tecnologías

Según relata Francisca, el objetivo principal a través de este nuevo instituto será entender de qué estamos hechos a un nivel elemental y cómo estas partículas interactúan entre sí. “Para poder acceder a este mundo elemental, necesitamos de la física de altas energías. Necesitamos colisionar, en el caso del Gran Colisionador de Hadrones, protones a altas energías para acceder a sus partes fundamentales”, dice Garay. 

En efecto, la física de altas energías es un campo que explora los bordes del conocimiento, buscando nuevas ideas y hechos experimentales que permitan encaminar la búsqueda de una “teoría final”, una que explique con una gran ecuación todos los fenómenos del Universo. Tarea que ha ocupado la mente de muchísimos físicos, entre ellos, Albert Einstein.

De hecho, Francisca recuerda una análogía realizada por el reconocido investigador del Organización Europea para la Investigación Nuclear, Rafael Carreras, en una publicación titulada Cuando la energía se vuelve materia. “Si colisionamos dos frutillas frente a frente, dependerá de la velocidad de la colisión qué tantas partes de las frutillas salgan. Si la velocidad es baja, probablemente se partirán en dos, pero si la velocidad es alta, empezaremos a ver semillas que salen disparadas. Ahora, si hacemos esto a las energías del Gran Colisionador de Hadrones, cosas muy raras pasan. En el caso de las frutillas, no solo saldrían semillas, además saldrían limones, peras, manzanas e incluso más frutillas”, relata la académica.

Por el lado más práctico, “toda la tecnología que se necesita para lograr estas colisiones a altas energías y poder detectar todo lo que sale, es impresionante”. Parte de esta tecnología, por ejemplo, son los detectores de muones (partícula elemental parecida al electrón pero de masa más grande) de tipo “small Strip Thin Gap Chambers (sTGC)”. “Estos detectores se podrían usar en minería para hacer tomografías del subsuelo usando muones que vienen de rayos cósmicos, sin tener que hacer perforaciones que tal vez puedan encontrar con algún canal subterráneo de agua y se cause un accidente”, agregó. 

Por otro lado, Francisca sostiene que es importante mencionar aplicaciones en el área de la medicina. “Colegas de la UTFSM crearon la ‘sonda intraoperatoria gamma’, que es un detector de radiactividad, y que está siendo utilizado por personal médico de la Red de Salud UC Christus. Estas son algunas áreas que SAPHIR quiere explorar”, cuenta. Y no menos importante, uno de los principales aportes es la formación de capital humano chileno que esto produce. Acá no solo se podrán entrenar estudiantes de carreras a fines, sino que también a personal técnico.

El inicio del camino

“Todo empezó con mis padres. Ellos notaron mi afición por la ciencia como a los 13 años”, dice Francisca Garay, quien cuenta que prontamente la inscribieron en un curso de Astronomía en la Asociación Chilena de Astronomía y Astronáutica (ACHAYA). Desde ahí fue un camino sin retorno. 

Tras su pregrado y magíster en Física en la UC, y de partir luego a Reino Unido por el Doctorado en Física de Partículas Experimental en la Universidad de Edimburgo, la profesora Garay se encontró con un escenario complicado en Chile, con grandes desafíos para conseguir fondos. Pasó por la Universidad Mayor y trabajó como joven investigadora en la fundación Ciencia para la Vida. 

Todo este camino “abrió mi mente”, dice Garay. quien luego volvió al campo de la física de partículas como posdoctorante en la Facultad de Física UC, donde poco tiempo después se incorporó como profesora asistente. Ha estado participando en el experimento ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones y también en el futuro experimento CLIC (Compact Linear Collider) ambos del laboratorio de la Organización Europea para la Investigación Nuclear en Suiza.

Un aporte desde América Latina

A través de este Instituto, y gracias también a este trabajo que ya ha apoyado Francisca Garay, hay un foco importante de colaboración con la Organización Europea para la Investigación Nuclear (o CERN por sus siglas en francés), sobre todo desde este continente. De hecho, este es el único equipo de físicos de América Latina que ha sido seleccionado para trabajar en el upgrade 2020 o actualización del experimento ATLAS, parte de las actividades en torno al Gran Colisionador de Hadrones o LHC.

“CERN no nos necesita en lo absoluto. CERN seguirá haciendo investigación de frontera con o sin Chile. Pero nosotros sí los necesitamos, para aprender y entrenarnos. Ser parte de lo que se está haciendo afuera para traerlo al país”, dice Garay.

¿Qué es CERN? Revisa el siguiente video:

Ahora el equipo está por terminar un gran proyecto. En conjunto con la UTFSM, la UNAB y la UC construyeron y testearon los detectores de muones para el experimento ATLAS. Estos detectores están siendo instalados en este detector para ser usados en las siguientes colisiones del LHC.

“A futuro, queremos participar en varias cosas. Queremos aportar a la física de partículas desde la arista más teórica, para luego aplicar estos conocimientos en la búsqueda y el estudio de las partículas utilizando los datos que se toman en el LHC. Acá se juntan disciplinas como el big data y machine learning”, explica.

También buscarán armar el cluster computacional de altas energías, que se albergará en las cinco instituciones que forman parte del instituto. La idea es guardar y procesar los datos tomados con los experimentos, y que sea de uso de científicos y estudiantes. Y por otro lado, está el diseño de microchips electrónicos para experimentos con una memoria analógica muy rápida, que puede grabar en una señal mucho más veloz de lo que se puede ahora. 

También está el desarrollo de nodos heterogéneos, que son sistemas de computación que se autoajustan a nivel de hardware. Esto podría ser una pieza fundamental para futuros supercomputadores. Por otro lado, quieren apoyar proyectos como el Compact Linear Collider (CLIC) y el Future Circular Collider (FCC), dos iniciativas futuras aportan en distintos aspectos al área de física de partículas. 

“CLIC es un colisionador lineal que pretende colisionar electrones y positrones. Esto hace que el ambiente de la colisión sea mucho más limpia que la que se produce al colisionar protones (éstos no son partículas fundamentales, están compuesto por quarks y gluones), por lo tanto hace un poco más fácil la búsqueda de partículas. Pero por su naturaleza lineal, solo tenemos un intento para llegar a una cierta energía”, explica Garay. 

Por otro lado, el FCC es un colisionador circular mucho más grande que el Gran Colisionador de Hadrones, de hecho, este tiene 27 Km de circunferencia, mientras que el FCC tendrá 100 Km. “En su primera etapa colisionará electrones y positrones (pero alcanzará más energía que CLIC). En una segunda etapa se colisionarán hadrones. Este proyecto tiene la potencialidad de descubrir o llegar a fronteras que van más allá de la teoría que está más aceptada hoy en día, llamado modelo estándar, y así tal vez revelar fenómenos que el modelo estándar no describe”, revela Garay.

La física y la sociedad

Según la académica del Instituto de Física, esta es una disciplina que entrega un entrenamiento en distintas áreas y que pueden ser aplicadas en otros campos. Ejemplos claros acá son el análisis de gran cantidad de datos, donde se requiere mucho conocimiento en estadística; el aprendizaje de máquinas, que en estos momentos está siendo aplicado en casi todas las disciplinas; computación y tecnología de punta que puede ser aplicada en minería, medicina y geología. 

“Esto es algo multidisciplinario y, como mencioné antes, no es solo para estudiantes de carreras a fines, si no también para técnicos profesionales. En este minuto, tenemos técnicos profesionales que se están entrenando en la construcción de detectores y luego los mandaremos a CERN para que se sigan capacitando”, dice Francisca.

Y en ese mismo sentido, entrega un mensaje a aquellos investigadores jóvenes que sienten interés por la física y por la investigación. “Les diría que ahora es el momento para integrarse a esto. Hay mucho que hacer. Ahora con el instituto SAPHIR lograremos que esto se mantenga con el tiempo y que sea un real aporte a Chile”, expresa la académica del Instituto de Física UC.