La ciencia en regiones demuestra su valor global: en el laboratorio X-PLUS de la Universidad de La Serena (USerena), investigadoras e investigadores chilenos desarrollan tecnología para detectar partículas subatómicas y estudiar los rayos cósmicos. De esta manera, se vinculan con la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), el Observatorio de Rayos Gamma de Campo Amplio del Sur (SWGO) y otros proyectos mundiales.
“Al menos hay dos formas en las que este laboratorio observa la naturaleza. Están concentradas en el ámbito de la física de partículas: los aceleradores de partículas y, por otro, la radiación cósmica”, indica el Dr. Pablo Ulloa, académico USerena.
Ambos son caminos complementarios para entender cómo funciona el universo en su escala más fundamental, ya que para estudiar los rayos cósmicos se necesitan detectores capaces de rastrear las partículas que los componen.
“Una partícula es la forma en que entendemos la materia y la energía en su estado más esencial. Es una idea un poco disruptiva de lo que es nuestra experiencia cotidiana. Uno pensaría que puede partir un trozo de material infinitas veces y seguir obteniendo lo mismo, pero hay un límite. Por ejemplo, partes una barra de hierro y sigues obteniendo hierro, puedes intentar dividir el material más veces, pero solo hasta llegar al punto en que hay átomos de ese elemento químico. Si logras partir los átomos, tienes otro tipo de materia: las partículas con las que se constituyen, una nube de electrones y en el núcleo protones y neutrones que a su vez están compuestos de quarks. El Modelo Estándar de Física incluye a electrones y quarks como partículas fundamentales, son el límite más pequeño hasta el cual tiene sentido hablar de dividir la materia”, explica el investigador.
A partir de estas temáticas, el laboratorio X-PLUS desarrolla múltiples proyectos científicos, con los Dres. Juan Carlos Helo, Orlando Soto y Pablo Ulloa, como académicos de la universidad y miembros actuales del CERN así como estudiantes del ámbito.
De acuerdo al Dr. Juan Carlos Helo (USerena-CERN), el objetivo es formar “capacidades experimentales en física de partículas y astropartículas desde la región. Muchas colaboraciones internacionales exigen no solo análisis, sino también desarrollo instrumental. Eso nos motivó a tomar un rol más activo en el diseño y construcción de dispositivos, fortaleciendo nuestra participación en proyectos globales”.
El Dr. Soto (USerena-CERN) comenta que comenzaron postulando para incluir a la universidad en el proyecto ATLAS del CERN, alrededor del 2021, posteriormente uniéndose a otras iniciativas. “Cuando somos parte de estos experimentos hay que ir allá. Hacer turnos para la toma de datos, análisis, tareas específicas. Hemos ido con estudiantes también, es una especie de internado científico, donde se colabora con expertos de diferentes áreas”, relata.
El trabajo del detector de partículas
Un detector de partículas es un dispositivo diseñado para identificar y medir partículas subatómicas como electrones, muones, fotones, neutrinos, entre otras. “Estos detectores son fundamentales en la física experimental, ya que permiten observar fenómenos que no pueden verse directamente, como colisiones entre partículas de alta energía o eventos provenientes del cosmos”, indica el Dr. Helo.
En este contexto, estos instrumentos permiten estudiar los procesos que se dan tras la colisión entre partículas que son aceleradas a una rapidez cercana a la de la luz. “Hasta unos 14 tera electrón volts, en cantidades copiosas. Es lo que un acelerador hace. Y ahí se estudian eventos que son repetibles, pero que tienen un límite de energía que es el que alcanza a dar la tecnología actual. Aquello tiene repercusiones en la validación del Modelo Estándar de física, que es nuestro marco teórico e incluye todo lo que nosotros creemos conocer de las partículas”, señala el Dr. Ulloa.
Estudiando rayos cósmicos en el desierto de Atacama
Pero, ¿cómo se realiza la detección? En la práctica, lo que se registra no es la partícula en sí, sino el efecto que produce al interactuar con un material determinado.
“Por ejemplo, cuando la partícula pasa por el tanque de agua no se detecta la partícula, se detecta el efecto Cherenkov: cuando una partícula cargada se mueve más rápido que la velocidad del agua en el medio, emite un brillo azul, y ese brillo azul es el que se detecta”, detalla Sebastián Infante, estudiante del Magíster de Física ULS.
Respecto a los detectores de rayos cósmicos, estos registran partículas de alta energía que provienen del espacio, principalmente muones. Según el Dr. Helo, sirven para estudiar la radiación cósmica y sus interacciones con la atmósfera terrestre. También se pueden usar en aplicaciones prácticas como la muografía, una técnica que permite explorar el interior de estructuras geológicas o construcciones, usando la atenuación de muones.
La radiación cósmica se origina de eventos astronómicos que ocurren muy lejos de acá. Por ejemplo, algunos en el Sol, en zonas del universo que sufren eventos catastróficos o colisiones de estrellas.
“El núcleo de la galaxia en la que estamos es un agujero negro, está tragando materia, está emitiendo rayos gamma todo el tiempo. Son cosas que producen eventos de mucha energía, muchísimas veces más energía de la que se puede conseguir en un acelerador. Y parte de esa radiación llega hasta nuestra atmósfera y produce cascadas de partículas”, ilustra el Dr. Ulloa.
“Estas partículas están todo el tiempo incidiendo sobre nosotros, estamos todo el tiempo sometidos a radiación que llega del espacio. Y bueno, es parte de la radiación natural que existe en todas partes”, agrega.
En este sentido, los investigadores buscan estudiar los productos de las cascadas de partículas que llegan a la superficie de la Tierra. Para ello, están desarrollando uno de los proyectos en una zona particular: el desierto de Atacama.
“Muchas tecnologías desarrolladas para experimentos de astropartículas deben funcionar en condiciones extremas: grandes diferencias de temperatura, baja humedad y alta radiación solar. Por eso, probar estos dispositivos en zonas como el desierto de Atacama permite verificar su funcionamiento en un ambiente similar al que enfrentarán en observatorios reales, como los del proyecto SWGO (Southern Wide-field Gamma-ray Observatory) que se instalará en el desierto chileno”, señala el Dr. Helo.
Actualmente, en la Universidad de La Serena se participa en tres experimentos del CERN: SHIP, NA64 y ATLAS. Asimismo, en el experimento SWGO a través del proyecto QUIMAL financiado por ANID.
