A cazar partículas, camino a trabajar en el CERN
Doce años tenía. Al frente, una licuadora de casa que no funcionaba, la iban a botar: “¿No la puedo arreglar?”, pensaba.
Quién sabe qué habrán pensado mis padres: como cirujano, con mucha seguridad y como si empezara un ritual que ya había hecho varias veces (pero en realidad nunca había hecho algo así antes) pedí las herramientas para abrirla y arreglarla.
Adentro de la licuadora: tornillos, piezas eléctricas, el motor. Creía que podría arreglarla, saque todos los componentes, los miré, y con arrogancia dije “se ven bien”.
La volví a ensamblar, pero seguía sin funcionar. Claramente no lo logré, pero la curiosidad de querer entender lo que pasaba no se fue nunca, e incluso fue aumentando con el tiempo.
Luego pasé a hacer y reparar instalaciones eléctricas de mi casa. En eso me fue bien: reemplazar enchufes, lámparas…. lo entendía así que disfrutaba hacerlo. Pero cuando empecé a experimentar con circuitos a 220 Volts, a mi madre no le gustó mucho: tenía sentido, cada cierto tiempo los diferenciales del tablero eléctrico saltaban, y nos quedábamos sin luz.
Quizás lo más curioso que ocurrió en mi infancia fue que para un cumpleaños, cuando cumplí trece o catorce años, de regalo pedí un libro de física. Algo extraño para esa edad, pero la curiosidad era más fuerte: quería aprender, entender. Llevé el libro a las vacaciones de verano, y mientras mis primas y hermanos bajaban a la playa, y los adultos dormían, yo leía ese libro y hacía los ejercicios propuestos.
Fue esa curiosidad la que me llevó a estudiar un doctorado de astrofísica en la PUC, y a decidir en mi posdoctorado ir a un laboratorio donde me dijeron que faltaba gente.
El detector de partícula del experimento ATLAS en CERN
En ese laboratorio, el año 2016, por primera vez me enfrentaba a un detector de partículas, que se mandaría al experimento ATLAS en La Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN). Y tuve la misma sensación que con la licuadora: necesitaba saber qué estaba pasando, así que el rumbo de lo que hacía en mi carrera hasta ese entonces –las estrellas y su funcionamiento, por ejemplo– cambió completamente.
Pasaba horas en el laboratorio haciendo el mayor esfuerzo por aprender y colaborar. Porque no era un desafío menor, la presión y las expectativas eran altas: el CERN es el laboratorio de física de partículas más grande y prestigioso del mundo. Fundado en 1954, su objetivo es establecer una organización europea de investigación de nivel mundial.
Su instalación más emblemática es el El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) , un acelerador circular de 27 kilómetros de circunferencia ubicado en la frontera franco-suiza cerca de Ginebra, donde los protones son acelerados hasta velocidades cercanas a la luz para luego hacerlos colisionar. Y ATLAS es un experimento con el mayor detector de partículas (44 metros de largo y 25 de diámetro), construido para contestar preguntas fundamentales: de qué está constituida la materia, cuáles son las fuerzas fundamentales de la naturaleza y de qué está hecha la materia oscura. En resumidas cuentas, el experimento de física más grande del mundo para ampliar nuestros conocimientos de cómo funciona el universo.
Pero para que se entienda mejor el desafío, voy a seguir contando la historia de la participación de Chile –y de la que fui parte– en este experimento. Todo cambió más cuando hice el segundo postdoctorado en la UTFSM. Ahí realizaban la construcción desde cero de estos detectores de partículas, que iban a formar parte de una gran rueda, la “New Small Wheel (NSW)”. La parte que nos correspondía se llamaba “QS1”, como se ve en la Figura 1.
Como equipo, teníamos que construir 32 de estos detectores. Cada uno de estos QS1 consistía en cuatro detectores unidos que funcionan con una mezcla de gases, n-Pentano+CO2, y a 2800 Volts (ya estaba lejos de los juegos de 220 que temía mi madre). Y la corriente no podía superar los 0,8 mili Amperes.
Que saliera mal no era una opción. Chile tomó el compromiso de realizar estos detectores, que tenían que captar partículas con precisión de micrones de metro (una medida diminuta que equivale a 0.000001 m).
Teníamos que ser rigurosos en cada paso de la construcción, que además debía cumplir con los estándares para el experimento más grande de física en el mundo.
Y tener la certeza de que los detectores funcionaban, implicaba ir a CERN (en Suiza) a probar si llegaban bien y cumplían con las expectativas: el primer módulo QS1 de detectores (recuerden que un módulo consiste en cuatro detectores unidos) se llamó módulo cero. Una vez enviado, teníamos que verificar que funcionaba bien unido a los módulos que habían hecho los otros países, como se muestra la Figura 1.
Ese módulo cero tenía una fecha fija en la que tenía que estar en Suiza, y logramos el deadline de construir y enviarlo. Pero no sabíamos –por lo delicados de los detectores – qué iba a pasar con los traslados por tierra y aire. Y menos sabíamos cómo se comportaría cuando lo probáramos en el “test beam” en CERN: ahí el módulo cero se integraría con los otros módulos de Canadá y China, para probar si juntos, frente a un chorro de partículas, podrían detectarlas.
Era la prueba de fuego, nuestra reputación como país, como equipo, como Universidad estaba en juego. Esa noche, no se imaginan lo que es ir subiendo el voltaje esperando que nada explotara, el estómago apretado, yo ahí, junto con Rimsky Rojas y Gerardo Vásquez (ambos Doctores en Electrónica y Física de la UTFSM respectivamente).
Finalmente pasaron los sustos, y el detector que habíamos construido a más de 13.000 kms, estaba operativo a 2800 Volts (ver Figuras 3 y 4). A pesar del alivio de ese triunfo, recién estábamos listos para ver si podríamos detectar partículas.
Para nuestra sorpresa, los módulos de los otros países no alcanzaron el voltaje, y el único módulo disponible para hacer pruebas, era el hecho en Chile. Eso fue un punto de inflexión, el año 2018: ahí CERN miró a Chile no solo como mano de obra, sino como personas realmente capacitadas para hacer un trabajo de excelencia. Finalmente, con nuestro módulo cero pudimos captar las partículas (no me pregunten por qué, pero curiosamente, siempre teníamos estos triunfos bien en la noche, y este fue alrededor de las 3 am). También pudimos probar elementos de la electrónica de extracción de datos, para mejorar los componentes electrónicos finales que se iban a montar en el detector.
Ya volviendo a Chile seguimos con la construcción de los módulos que quedaban por realizar. Los pudimos hacer todos y mandarlos al CERN, para terminar de ensamblar la rueda NSW:
6 meses viviendo en Suiza para colaborar con el CERN
Luego de la construcción de los 32 Módulos (habíamos partido el 2016 y ya estábamos en el año 2021), pensé:“la tarea está hecha, misión cumplida, ¿qué sigue ahora?”. Hasta que recibí un correo de Ludovico Pentocorvo), director del proyecto de la NSW desde CERN.
Al ver de quién era el correo, lo primero que se me vino a la cabeza fue: “ups, algo explotó”.
Pero no, resultó que con la experiencia adquirida, Ludovico quería que fuese 6 meses a Suiza: no solo había que ensamblar los detectores en esta rueda gigante, sino que además había que dejarla funcionando a nivel de superficie antes de bajarla 100 metros bajo tierra, que es donde está ubicado el experimento ATLAS. Y después teníamos que volver a probar ahí, bajo tierra, que todo funcionara a la perfección cuando las colisiones entre Protones en el LHC se produjeran.
Esto implicaba un sin fin de tareas como: instalaciones de fibra óptica entre los routers que comunicaban a los detectores con el sistema de adquisición de datos, ver la mezcla de gases para todos los detectores de la rueda, lo mismo para el voltaje, poner 2800V... Bastaba que encendiera el voltaje sin que hubiese gas circulando, y las cosas se podían quemar. Ver que la transmisión de datos no solo estuviera establecida, sino que comprobar la calidad de transmisión de datos, pruebas en las tarjetas de adquisición de datos, cables y más cables, ubicarlos bien en los puestos donde debían ir (si no conectas un cable de manera correcta perdías la información de todo un detector)... y un listado grande de otras cosas con las que no les quiero dar la lata.
Esto no solo exigía capacidad técnica. Yo y mi familia vivíamos en Santiago, mi señora trabajaba acá y mis hijas estudiaban acá. ¿Cómo lo iba a hacer para irme 6 meses? Y sumémosle que estábamos en plena pandemia.
Pero finalmente decidimos irnos todos: las niñas tenían clases online, pero en la tarde por el cambio de hora. Mi señora fue crucial para que todo esto se diera, estas oportunidades de representar a un país no aparecen muy seguido.
Luego de meses pudimos terminar el trabajo. La NSW en superficie, ensamblada y probada para bajar 100m, como se muestra en la Figura 6.
La NSW pesaba toneladas y bajarla 100m como algo frágil no era algo sencillo, en la Figura 7 se muestra parte del proceso:
Una vez que la NSW ya estaba abajo (ver figura 8), empezó el proceso de conectarla al experimento ATLAS, para luego hacer las pruebas finales, y así asegurarnos que en el traslado y en la bajada de la rueda no hubiesen daños.
A mediados de Septiembre de 2021, estábamos preparados para ver si finalmente la NSW funcionaba y era capaz de detectar partículas.
Cómo olvidar aquella noche del 23 de Octubre de 2021 (de nuevo, un momento crítico de noche). Yo, Rimsky y Gerardo, junto a otros colegas internacionales en una sala de control satélite. Empezarían las colisiones, teníamos el mando para subir los voltajes, el gas circulaba por las cámaras, todo preparado.
Una vez que empezaron las colisiones a las 10:20 pm teníamos los voltajes en cero; no esperábamos detección de partículas como se muestra en la Figura 9. Si bien las colisiones se producen, lo que queríamos lograr era asegurarnos que el voltaje en cero implicaba que no teníamos nada. Y sí, alivio, estaba correcto. Pero mientras se producían las colisiones, si subíamos el voltaje a 2800 V, con el gas circulando, las partículas, al pasar por el detector gaseoso ionizarían el gas, y con el Voltaje haríamos que los electrones libres se fueran hacia un lado del detector, produciendo una señal que nos diría cuántas partículas estaban pasando por el detector por segundo.
Al subir el Voltaje a 2800 V a las 11:20 pm, como muestra la Figura 9, empezamos a ver que la tasa de partículas se incrementó, lo que inequívocamente quería decir que el detector capturaba las partículas. Fue una alegría que será difícil de olvidar (y como ven, es muy difícil de describir).
Chile en la élite científica mundial: qué implica ser Estado Miembro Asociado del CERN
Toda esta historia bien personal que les conté, es la forma más detallada y cercana que tengo para representarles más de cinco años de contribuciones que ha hecho Chile para el CERN, donde demostramos ser científicos confiables para la Organización. Y es por esto que hoy hace sentido que se aprobara la resolución que otorga a Chile el estatus de Estado Miembro Asociado del CERN. De hecho, la participación de Chile empezó incluso antes de que yo fuera colaborador, y de esos antecedentes me gustaría dejarles algunos datos clave que no aparecen en mi historia:
- En 2007, CERN y CONICYT lograron un acuerdo de colaboración, en especial con el experimento ATLAS ubicado en CERN.
- Después del éxito de los detectores QS1, en 2023, científicos chilenos se incorporaron también al Solenoide Compacto de Muones (CMS), otro de los cuatro experimentos principales del LHC. Con esta incorporación, Chile alcanzó una participación significativa en dos de los cuatro experimentos más importantes de física de partículas a nivel mundial.
- La contribución de Chile al CERN va mucho más allá de la construcción de hardware. Científicos chilenos han participado activamente en el análisis de los enormes volúmenes de datos generados por los experimentos del LHC, contribuyendo significativamente a descubrimientos fundamentales como el del bosón de Higgs en 2012, considerado uno de los hallazgos más importantes en física de partículas de las últimas décadas. Por si no lo sabías, el Bosón de Higgs, predicho teóricamente en 1964, es la partícula asociada al campo de Higgs, que confiere masa a otras partículas elementales. Su descubrimiento confirmó el último componente faltante del Modelo Estándar de la física de partículas, la teoría que describe tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza y clasifica todas las partículas elementales conocidas
Oportunidades para empresas chilenas: más allá de la ciencia
Otro de los aspectos más relevantes y menos conocidos de la membresía de Chile en el CERN, es el acceso que tendrán las empresas chilenas a las licitaciones industriales de esta organización.
El CERN maneja un presupuesto anual de aproximadamente 1.200 millones de euros, gran parte del cual se destina a adquisiciones de equipamiento y servicios especializados. Hasta ahora, las empresas chilenas estaban prácticamente excluidas de estos procesos de licitación, reservados principalmente para empresas de los Estados Miembros. A partir de la formalización de Chile como Estado Miembro Asociado, nuestras empresas podrán competir en igualdad de condiciones con empresas europeas y de otros países asociados.
¿Qué tipo de productos y servicios adquiere el CERN? La lista es sorprendentemente amplia y va mucho más allá de lo que podríamos imaginar para un laboratorio de física: incluye componentes electrónicos de alta precisión, sistemas de refrigeración avanzados, software especializado, servicios de ingeniería, materiales superconductores, sistemas de vacío, componentes mecánicos de precisión, servicios de computación de alto rendimiento, e incluso servicios más convencionales como construcción, logística y alimentación.
Cómo seguimos hoy
La aprobación de Chile como Estado Miembro Asociado del CERN por parte del Consejo de esta organización es clave, pero no es lo último. Faltan las firmas tanto de Chile y CERN del acuerdo formal.
Mientras esperamos que eso pase, de todas formas hoy seguimos en colaboración con CERN. Estamos revisando las actualizaciones que se requieren a nivel de hardware, porque en los próximos años, la energía de colisión de los Protones debería aumentar. Eso implica que todo lo que está en el detector ATLAS debe estar preparado para el incremento de partículas que se producirá y los niveles de radiación.
También estamos empezando a colaborar con otros experimentos. Mencioné CMS más arriba, que también está ubicado en CERN dentro del LHC. Y además se suma un futuro experimento llamado SHIP (Search for Hidden Particles). Como falta explicar cosas en física, este experimento se propone encontrar nuevas partículas que no conocemos aún para tener un mejor entendimiento de ciertos fenómenos que la física todavía no logra explicar. Colaboraremos en detectores de otro tipo, simulaciones y análisis de datos. Se espera que el experimento SHIP empiece a operar a finales del 2028, queda un largo camino de simulaciones y pruebas experimentales para llegar a ese punto.
Y ahí estaremos presentes, en otro desafío no trivial, para ver si al encender el voltaje capturamos nuevas partículas. Pero esta vez, no sabemos si lograremos capturarlas porque todavía ni siquiera sabemos si existen.
