Los nuevos límites de la física de partículas y su impacto para Chile

Jilberto Zamora, profesor asociado del Departamento de Ciencias Físicas UNAB, junto al doctor Sergey Kuleshov. Foto: Felipe Javier Figueroa.

El Instituto Milenio de Física Subatómica en la Frontera de Altas Energías explorará los límites de la física de partículas por los próximos 10 años. Fabricación de piezas de alta tecnología para el Gran Colisionador del CERN es el objetivo principal. Pero en el camino desarrollarán investigaciones que revolucionarán a la minería, el monitoreo de volcanes o la detección y tratamiento del cáncer. Acá, los físicos a cargo del proyecto muestran la potencia de sus alcances.




Hablar de altas energías, partículas elementales y del Gran Colisionador de Hadrones del CERN puede convertirse rápidamente en un dolor de cabeza para cualquier ciudadano de a pie. Pero cuando logramos entender las implicancias de estas investigaciones y ciencia de última frontera en importantes sectores productivos y en nuestra vida cotidiana, el asunto toma otro camino.

Por primera vez la Universidad Andrés Bello (UNAB) liderará el nuevo Instituto Milenio de Física Subatómica en la Frontera de Altas Energías (SAPHIR), centro que se dedicará a explorar los límites de la física de partículas por los próximos 10 años, luego de adjudicarse la Iniciativa Milenio.

La Secretaría Ejecutiva de Milenio es la encargada de la gerencia del programa: gestiona concursos regulares desde 1999, articula a los Centros Milenio con el sector público, educacional, regional y privado; apoya las comunicaciones; conecta centros entre sí y facilita la gestión general de los Núcleos e Institutos Milenio. Milenio es un programa de la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID), perteneciente al Ministerio de Ciencia, Tecnología, Conocimiento e Innovación de Chile, y su directora ejecutiva, Nicole Ehrenfeld, lo explica: “Distintas iniciativas nacionales asociadas a CERN se reúnen en el Instituto Milenio de Física Subatómica en la Frontera de Altas Energías, y esto es relevante, ya que nos posicionará con mayor fuerza en el estudio de la física subatómica de vanguardia a nivel mundial”, además de crear capacidades nacionales para el desarrollo y aplicación de tecnologías.

“Hay que ser muy objetivos: los suizos no nos necesitan, ellos ya están desarrollados y van a construir sus tecnologías con o sin nosotros. En cambio, desde Chile, sí los necesitamos para aprender, construir y poner en práctica nuestras ideas”, apunta Jilberto Zamora, profesor asociado del Departamento de Ciencias Físicas UNAB y que trabaja bajo las órdenes del doctor Sergey Kuleshov, junto a otros profesionales, para iniciar el funcionamiento del Instituto SAPHIR. Postularon en marzo de 2020 a los fondos Milenio, pasaron varias etapas hasta una entrevista con investigadores extranjeros, que les dieron el “vamos” técnico a la propuesta en diciembre pasado.

Científicos, ingenieros y técnicos del instituto liderado por UNAB ya trabajan en el diseño y producción de nuevos módulos electrónicos para ATLAS, el mayor detector de partículas elementales del mundo, que tiene alrededor de 150 millones de sensores con su correspondiente electrónica, explica el profesor Kuleshov, quien agrega que una parte importante de ese trabajo, que se realiza con las otras universidades que participan de la iniciativa, se realizará en el Campus Casona de la UNAB.

Según explica, toda la electrónica será producida con el apoyo financiero del Instituto durante los próximos tres años y entregada e instalada en el Detector ATLAS. “La electrónica diseñada se basa en un moderno sistema en chip (XILINX Zynq-7000 SoC) con una memoria analógica muy rápida que puede recordar una señal de unos 100 nanosegundos con un tiempo de muestreo de aproximadamente un nanosegundo”, apunta Kuleshov. La experiencia acumulada, agrega, dará la posibilidad de diseñar y producir nuevos sistemas electrónicos heterogéneos, que podrían ser utilizados para el control automático industrial en Chile.

Hasta ahora, científicos, ingenieros y técnicos de las tres universidades involucradas en el proyecto (junto a la Andrés Bello están la Universidad Católica y Federico Santa María) han producido el 15% de los detectores de muones para el nuevo espectrómetro de muones de ATLAS y continuarán trabajando en la instalación de detectores este año y el próximo. Algunos estudiantes de esas casas de estudio, además, están involucrados y recibiendo entrenamiento, lo que marca otro plus para el proyecto.

Las altas energías

Aunque puede sonar incluso a ciencia ficción, lo que se hace en el CERN, y en lo que están aportando los científicos chilenos, se puede entender de manera más simple. Las altas energías se necesitan para explorar partículas. “Imagina dos autos. Si los haces chocar despacio, uno ve algunas latas soltarse, pero si los haces colisionar de frente, a 200 km/hr., salta de todo. Si se piensa así, con altas energías rompes la estructura de las partículas y puedes entender de qué están hechas”, sintetiza Jilberto Zamora, desde UNAB. Para ellos, uno de los desafíos del centro será ampliar el clúster computacional con el que cuentan: la universidad ha invertido recursos en el laboratorio y ahora, con los recursos de SAPHIR, pretenden agrandar el clúster de computadores. Hoy tienen alrededor 250 procesadores y quieren llegar a mil.

Con los equipos del CERN, cuenta el doctor Sergey Kuleshov, están trabajando en tecnologías de computación incluyendo machine learning, inteligencia artificial y big data. “Trabajaremos en el llamado nodo de computación homogéneo, un sistema de computación auto-ajustado a nivel de estructura de hardware y podría ejecutar un programa de computación con el mínimo de disipación de energía”. Los expertos en computación -prosigue- lo consideran como un elemento principal de los futuros supercomputadores. “Podría ser una nueva industria de Chile”, sintetiza.

Dentro de los desarrollos, un equipo de ingenieros mecánicos trabaja en una mesa de movimiento de detectores de 10 toneladas, para la prueba de detectores en el CERN: la mesa moverá detectores muy pesados con una precisión de posición 3D mejor que 1 mm y está siendo diseñada y será producida y probada en Chile y luego transportada al CERN.

Más allá de la colaboración con una de las iniciativas científicas más poderosas de la historia, el trabajo en física de partículas y las altas energías dejará frutos para varios sectores productivos nacionales. Según relata Kuleshov, los científicos del CERN les pidieron considerar la posibilidad de producir materiales de blindaje contra la radiación en Chile, por la existencia de boro y litio en el país: “Nuestro equipo podría apoyar a diferentes equipos de física aplicada que trabajan en física médica, física ambiental y geofísica”.

Una de las partículas que se medirá son los muones. “Son como los primos gorditos de los electrones, porque tienen más masa. La gracia de los muones es que penetran bastante en la materia, en grandes distancias. Lo que se está desarrollando es la ‘tomografía de muones’ y es una idea que tenemos pensada para el sector minero en Chile”, explica el doctor Zamora. Luego añade que uno de los grandes problemas que existe en la minería subterránea es que, en la construcción de túneles, no se sabe si al interior de la montaña hay cavidades (con agua, vacías, etc.).

“En una detonación se puede romper esa cavidad y producirse una inundación que tiene un costo en vidas humanas y equipos gigantesco. Lo que se propone es hacer una especie de ‘radiografía’ del cerro y, en vez de usar rayos X, ocupar los muones. Se conoce bien el flujo de muones que vienen desde el cielo, por lo tanto, se puede usar este flujo como patrón de comparación, y así, detectar cavidades y anomalías ocultas en la montaña”, agrega Zamora. Ese trabajo con muones es el mismo que permitió en 2017 a los arqueólogos realizar el descubrimiento de una cámara oculta en la Gran Pirámide de Guiza.

Detección y tratamiento del cáncer

“Hemos desarrollado detectores de partículas para el CERN, teniendo los más altos estándares. Ya hemos enviado los últimos detectores comprometidos”, dice Nicolás Viaux, doctor en astrofísica UC e investigador joven de la Universidad Técnica Federico Santa María del Departamento de Física y del Centro Científico Tecnológico de Valparaíso (CCTVal). Su desarrollo y construcción aporta en varios aspectos a la sociedad: “Primero, en la formación de capital humano. Formamos estudiantes de física e ingeniería que luego se vinculan con la sociedad. También hacemos el nexo entre la generación de investigación y sus aplicaciones en la sociedad. El CCTVal ha generado aplicaciones en Medicina, como la llamada ‘sonda intraoperatoria gamma’, que puede lograr limitar un tumor de manera muy precisa”, explica.

Esos equipos ya están en operación en Chile, tal como lo señala el doctor Juan Carlos Quintana, coordinador médico de la Unidad de Medicina Nuclear, servicio de diagnóstico por imágenes de la Red Salud UC Christus: “Aprovechando el conocimiento que se obtuvo del proyecto entre el CERN y la UTFSM, apareció este detector de radioactividad, llamado sonda intraoperatoria gamma, que se usa dentro del pabellón quirúrgico. Tiene la característica de que es portátil, es como un lápiz inalámbrico que se conecta por Bluetooth a una tablet que tiene el software que lee la información del instrumento”.

La aplicación es en cáncer en ganglios linfáticos y lo que hacen es que simular esa misma vía linfática, inyectando este compuesto radioactivo en la piel y que se va por los linfáticos y se acumula en los ganglios. “Lo interesante es que, con esa radioactividad, que dura solo unas horas, podemos localizar los ganglios. Esto lo utilizamos rutinariamente en cáncer de mama y melanoma”, apunta el doctor Quintana.

También se ha utilizado para el cáncer de cuello uterino y de endometrio, donde se ocupa la misma técnica. Todo el desarrollo tecnológico y el software fue hecho en Chile. “Cuando se lanzó era uno de los pocos inalámbricos del mundo, para hacer más fácil el trabajo del cirujano. La tecnología que se usa en seres humanos es más exigente que la que se usa en otras aplicaciones y tiene que cumplir estándares de seguridad que no se le piden, por ejemplo, a un electrodoméstico”, dice Quintana.

Jilberto Zamora sostiene que en SAPHIR también quieren desarrollar detectores de radón. “En Chile no se habla mucho de este tema, es tan así, que no tenemos normativa al respecto”. En Europa y Estados Unidos, en los subterráneos, hay medidores de radón, que es un gas radioactivo que viene de la desintegración del uranio. Es la segunda causa de cáncer de pulmón en Estados Unidos”, indica. Luego añade: “También esos detectores se podrían utilizar en temas sísmicos, pues se ha detectado que antes de un terremoto se libera radón. Uno puede buscar peaks de radón y ver la relación con los sismos y así tener un método para anticiparse”. Kuleshov complementa que pronto llegarán a Chile dos nuevos detectores de radón “y comenzaremos a medir la concentración de radón en Santiago y en las minas de Codelco”.

La lista de aplicaciones de la física de partículas y las altas energías a nuestra vida cotidiana aumenta. “Con los detectores de muones que enviamos al CERN, también se pueden monitorear volcanes, hacerles como un escáner muy preciso, como lo que hizo con la Pirámide de Guiza. Lo mismo aplica para la carga pesada en aduanas, reactores nucleares. Todo eso detectando los muones que llegan de la atmósfera. Para eso se requiere investigación, simulaciones computacionales, y un gran desarrollo”, explica Viaux desde CCTVal.

Los avances que puede generar la física de partículas son gigantescos para un país que invierte alrededor de un 0.3% de su presupuesto en ciencias, comparado con la realidad de países desarrollados que lo hacen en orden de 3 o 4 % de su presupuesto nacional. Dicho esto, es allí donde está el mayor desafío de SAPHIR para los próximos años: desarrollo de capital humano.

“Estamos construyendo nuevos nodos de computación y nuevos clústers de ordenadores en la UNAB para analizar los datos de ATLAS. Y estamos trabajando en el desarrollo de la tecnología de datos de licitación con los expertos de ATLAS. Finalmente, crearemos una red de clústers de ordenadores de Física de Altas Energías en Chile. Muchos estudiantes estarán involucrados, y serán una nueva generación de científicos e ingenieros informáticos con formación en Chile y en el CERN”, sostiene Kuleshov.

“Sueño con que Chile se desarrolle y produzca tecnología y no solo materias primas”, dice el doctor Zamora. “Eso es imposible si no empezamos a desarrollar ciencia y tecnología de frontera y nosotros vamos a hacer eso. Hasta ahora tenemos que comprar todo fuera de Chile, ahora tendremos la oportunidad de fabricar algunas cosas nosotros mismos. Si esto funciona, podríamos dejar de solo vender materias primas, reemplazando estas por productos con valor agregado”, sentencia.

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