Ciencia

Foto: Detector del experimento CMS en el Gran Colisionador de Hadrones. Cortesía: CERN.

Materia oscura, bosón de Higgs, quarks, neutrinos… esos conceptos alucinantes que los medios replican y los científicos persiguen, son la razón de ser del más grande, más costoso y más prometedor laboratorio científico del planeta: la Organización Europea de Investigaciones Nucleares, localizada entre Suiza y Francia, el CERN.

En diciembre, una carta del CERN llegó al profesor Nelson Vanegas Arbeláez, físico del grupo Fenomenología de Interacciones Fundamentales —GFIF— de la Universidad de Antioquia. En ella se oficializaba la adhesión de la Alma Máter como entidad colaboradora de uno de los grandes experimentos del Centro: el Solenoide Compacto de Muones —CMS—.

La entrada de la Universidad al CMS fue un proceso que involucró la visión y voluntad de muchos actores: el Instituto de Física, la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, la Vicerrectoría de Investigación y la Rectoría. Tras varios años de estudio y acercamientos, el Rector adjudicó los recursos que la Universidad pondrá para el experimento durante el primer año.

La elección del CMS por encima de otros experimentos de gran alcance del CERN —como el experimento ATLAS— fue fruto de esos años de acercamiento. “El CMS nos permite entrar como instituto colaborador y nos permite hacer parte completa del experimento, tener cierta independencia sobre los científicos que se vinculan, toma de decisiones y qué se puede hacer”, indicó el profesor Vanegas Arbeláez. También era más conveniente desde lo financiero y logístico.

En la colaboración, cuya primera etapa ha sido planeada a tres años, se espera contar con dos profesores de tiempo completo, estudiantes de doctorado y de maestría.

Otras cuatro universidades colombianas tienen vínculos con experimentos del CERN: los Andes; la Nacional de Colombia; la UIS y la Antonio Nariño. “La idea es que entre los cinco saquemos adelante colaboraciones más generales con el CERN, ojalá apoyadas por Colciencias, para que Colombia tenga un impacto más claro en el panorama científico mundial”, afirmó el investigador.

La experiencia CERN

Para acompañar el proceso de la Universidad de Antioquia, en el Instituto de Física está como profesor visitante uno de sus egresados, José David Ruiz Álvarez. Durante tres meses, el físico, que investiga en el CERN hace cinco años —actualmente, como investigador posdoctoral de la Universidad de los Andes— compartirá su experiencia con sus colegas de la Alma Máter. 

El profesor Ruiz Álvarez ha visitado el Centro desde 2011, cuando cursaba su maestría en la Universidad de Antioquia, y luego con el trabajo experimental de su doctorado en la Universidad de Lyon, Francia, por lo que ya se siente como en casa. “La comunidad del CERN es muy abierta, sumamente internacional. No se hace ninguna distinción entre un investigador colombiano y uno europeo”, comentó. 

Por tanto, este egresado espera dar muchas pistas al equipo de la Universidad de Antioquia, especialmente porque el grupo Fenomenología de Interacciones Fundamentales, del profesor Vanegas Arbeláez, ha sido esencialmente teórico, y ahora se dispone a medirse al trabajo experimental en física de partículas. 

Los investigadores tienen varias tareas en mente: primero, analizar los resultados del experimento, que utiliza la máquina más ambiciosa construida por el ser humano: el Gran Colisionador de Hadrones —LHC—, el mayor acelerador de partículas del mundo. 

“CMS estudia lo que resulta de colisionar unas partículas, protones, que se aceleran hasta velocidades muy altas y se hacen colisionar en una región pequeña”, explicó Ruiz Álvarez. De esta colisión resultan muchos tipos de partículas subatómicas: electrones, quarks, partículas de Higgs, muones, más protones, entre otras, que son detectadas por sensores muy precisos.

“Se estudian las partículas para determinar qué ocurrió durante la colisión a altas energías; hay que medir muy bien sus propiedades: velocidad, masa, energía”, señaló el investigador. 

La inmensa cantidad de datos resultantes debe ser analizada rigurosamente para buscar pistas sobre la composición de la materia a una escala muy diminuta —el  interior del protón— y sobre la historia del universo. Grandes hallazgos, como el del predicho bosón de Higgs, se han realizado gracias a estos esfuerzos. Los investigadores de Universidad de Antioquia participarán en nuevos avances, enfocados en la búsqueda de uno de los grandes enigmas científicos de nuestro tiempo: la materia oscura.

Objetivo: la materia oscura

Nadie la ha detectado, pero teóricamente se necesita para explicar las observaciones astronómicas sobre la forma y funcionamiento de las galaxias y del Universo. La materia oscura sería un tipo de materia que no puede ser vista ni detectada directamente por ninguno de nuestros sistemas tecnológicos. 

“La observación astronómica de lentes gravitacionales muestra que debe haber materia que no vemos, y que sigue a la materia ordinaria que sí vemos”, señala el profesor Vanegas Arbeláez, aunque advierte que puede haber otras explicaciones, según algunos modelos.

Dado que el Universo entero está compuesto de la misma materia y sigue las mismas leyes físicas que nuestro planeta, este misterio es estudiado con ahínco en el CERN. “De acuerdo con algunos modelos físicos, se espera que en las colisiones de alta energía que se realizan en el CERN se puedan detectar señales de la materia oscura”, señalan los investigadores. “Allí se puede aumentar la frecuencia de colisiones que muy esporádicamente se dan en el cosmos observable; es como un amplificador de lo que sucedería en el Universo”. 

La búsqueda es compleja, pues ya que el detector no puede ver dicha materia, los científicos deben recurrir a lo que no se ve. Para ello se basan en uno de los principios más universales de la física: la conservación de la energía. “Si suministramos a un sistema determinada energía, pase lo que pase, el resultado debe tener la misma energía”, explica por su parte el profesor Ruiz Álvarez; “en nuestro caso, sabemos cuánta energía metimos a la colisión de protones, y buscamos detectar si falta algo de energía en el resultado. Eso sería evidencia de partículas de materia oscura”.

Ahí es donde está el trabajo de análisis más complejo: como se produce tantos tipos de partículas, los investigadores deben concentrarse en algunos canales de la detección. “Es lo que debemos aclarar en la primera etapa, en cuáles canales concentrarse, y lo estaremos haciendo de la mano de las universidades que nos colaboran”, apunta el profesor Vanegas Arbeláez.

Por otro lado, hay interés en participar en la parte de hardware (diseño y construcción de detectores). “Estamos buscando hacer parte de un grupo dentro del CMS, el GEM —Gas Electron Multiplier—, una tecnología para detección de partículas de altas energía que se está comenzando a utilizar en otras aplicaciones donde se usan partículas de alta energía, como son las imágenes médicas”, comenta el investigador. 

Una apuesta para todas las áreas

LHC: Gran Colisionador de Hadrones. Cortesía: CERN.

Las exigencias tecnológicas del CERN hacen que sus desarrollos vayan mucho más allá de la física de partículas. Ingeniería, filosofía, electrónica y computación crecen con cada avance del centro. Basta recordar que fue allí donde en 1989 se inventó la web. 

“La ciencia que se hace en el CERN es aplicable a muchas cosas. Por ejemplo, como se generan tantos datos, se ha debido desarrollar tecnologías de cómputo que eventualmente podrían usarse en otras cosas: software, hardware, algoritmos, ideas de inteligencia artificial”, señala Vanegas Arbeláez. “Por eso nos interesa que con el tiempo, a esta colaboración puedan llegar personas de muchos programas”.

La red de computadores que trabajan con el CERN, GRID, es la más grande del mundo. “Es un área donde también podríamos involucrarnos, y es uno de nuestros retos a largo plazo: tener un centro de cómputo suficientemente poderoso para hacer parte de esas redes”, complementa el físico.

María Patricia Arbeláez Montoya, vicerrectora de Investigación, destacó los beneficios que una colaboración así puede tener no solo para la investigación en física, sino para todas las áreas de la Universidad. “Incluso áreas como las ciencias sociales se pueden beneficiar de la enorme capacidad de cómputo a la que la Universidad tendrá acceso con esta colaboración”.

Este es un esfuerzo de Universidad que se suma a la apuesta colombiana para aportar talento a los grandes emprendimientos científicos del mundo. Quizás pronto haya noticias sorprendentes desde el más internacional de los centros de investigación.