Para cualquiera que se haya asomado el cielo nocturno, cuesta imaginar que ese océano infinito tachonado de luces y agitado por fuerzas inimaginables, esas gemas de colores iridiscentes, los cúmulos de galaxias que nos dejan boquiabiertos ante las imágenes capturadas por el telescopio espacial Hubble sean apenas el 4% del universo, y que el 96% de la materia y la energía restantes sean invisibles no solo para nuestros ojos, sino también para los más poderosos detectores con que cuentan los investigadores. Resulta difícil de aceptar pero, al parecer, la mayor parte del universo está llena de “algo” que astrónomos y astrofísicos no pueden explicar, partículas diferentes de las que tan bien describe el modelo estándar de la física.
Javier Tiffenberg, un joven físico argentino formado en la Universidad de Buenos Aires, pero actualmente investigador del Fermilab, en Chicago, intenta dilucidar qué es esta entidad presente en los más remotos confines del universo y de cuya existencia se teoriza a partir del movimiento de galaxias y de cúmulos de galaxias. Aunque todavía no se puede decir qué es, “Incluso se pudieron desarrollar simulaciones y trazar un mapa de dónde está distribuida en el universo”, contaba hace un par de años, durante una visita a la Argentina.
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A partir de hoy, él y Darío Rodrigues Ferreira Maltez dirigirán un nuevo laboratorio experimental en la Facultad de Ciencias Exactas de la UBA, el Laboratorio Argentino de Mediciones de Bajo Umbral de Detección y sus Aplicaciones (Lambda), que investigará en las fronteras del conocimiento sobre materia oscura y otros temas que suscitan enorme interés en la física actual, como la detección de neutrinos.
Tiffenberg, doctorado en Exactas, recibió en 2020 el premio New Horizons, que entrega la Fundación Breaktrough, por haber ideado un sensor, el Skipper-CCD (charged coupled device o dispositivo de carga aplicada) capaz de detectar partículas elementales con una altísima resolución, lo que hace posible por primera vez el registro y la medición de la unidad mínima de energía, y que también tiene aplicaciones en óptica cuántica y astronomía.
“La colaboración entre el Departamento de Física y Fermilab existe hace bastante tiempo –cuenta Rodrigues–. Otros profesores de nuestro grupo hicieron estadías, pasantías, doctorados, posdocs en Chicago, Estados Unidos. Y Javier tiene en el Fermilab un grupo también compuesto por varios argentinos que logró hacer funcionar el Skipper-CCD, que será central en nuestro laboratorio. Todo lo que hacemos y haremos girará alrededor de este detector, que es la tecnología de vanguardia que nos permite buscar materia oscura, hacer física de neutrinos, óptica cuántica y trabajar en varias preguntas abiertas que tienen aspectos en común”.
La "sociedad" Tiffenberg-Rodrigues resulta una pieza fundamental para que exista el laboratorio, porque esta tecnología no es comercial, no se puede comprar. “Los desarrolló el Fermilab en colaboración con Berkeley Lab, y nació con el objetivo de buscar materia oscura en el marco de un experimento que se llama ‘Sensei’ (Sub-electron noise Skipper-CCD experimental instrument) y que justamente busca materia oscura, que es algo que uno supone que existe, que hace falta que exista para explicar muchas observaciones astronómicas, pero que todavía no fue detectada por los instrumentos con que contamos”, explica Rodrigues.
El equipo es parecido a los sensores convencionales que se encuentran en las cámaras fotográficas de muy alta calidad o en telescopios, pero con una particularidad: es capaz de contar electrones de a uno. “Las diferentes interacciones con la materia oscura, si existiera, pueden ‘ionizar’, eso significa arrancarle un electrón a un átomo. Después, uno los puede atrapar –detalla el físico–. Si hay uno, dos, 8000 o 1001, el equipo es capaz de decir cuántos quedaron en el detector”.
Esa capacidad permite un salto “cuántico” similar al que debe haberse dado cuando surgió el microscopio: se pudieron revisar los estudios que ya se habían hecho con la lupa y agregar otros que antes habían sido imposibles. “Con el 'Skipper' pasa un poco eso –cuenta Rodrigues–. Cuando se busca materia oscura, se necesita [un equipo] ultra sensible, porque de existir, su interacción con la materia convencional, la que nos forma a nosotros, es muy, pero muy débil. Si no, la hubiéramos visto hace rato”.
La pesquisa de estas partículas inasibles lleva varios años. Los primeros en postular que debía haber “algo” allí afuera que no estábamos viendo, a principios de la década de 1930, fueron el célebre astrónomo holandés Jan Oort, pionero de la radioastronomía, pero más conocido por la nube de cometas que lleva su nombre, y por su colega suizo de origen húngaro, Fritz Zwicky. Pero no se los tomó en serio durante cuarenta años, hasta que la astrónoma Vera Rubin realizó un descubrimiento sensacional: sus cálculos mostraron que la gran espiral de la galaxia tenía una rotación extraña y las estrellas de los bordes se movían tan rápido como las del centro, algo que viola las leyes de la gravedad de Newton.
Desde entonces, se realizaron gran cantidad de experimentos y se avanzó mucho; por lo menos, "tachando" candidatos. “No sabemos qué es, pero sí que tiene que interactuar gravitatoriamente. Cuando uno busca algo que no encuentra, eso también significa mucho –explica Rodrigues–. Porque puede decir llegué hasta acá y hasta acá, y sé que no está. Entonces, se van restringiendo posibilidades.
Sensei, el experimento para buscar materia oscura y uno de cuyos líderes es Tiffenberg, se encuentra en la vanguardia en ese campo precisamente porque tiene el mejor “límite de exclusión” para un cierto rango de energía. “Si existe, la estamos acorralando, su probabilidad de interactuar con la materia conocida tiene que ser muy, pero muy bajita –destaca Rodrigues, que también forma parte de la colaboración–. Si con la sensibilidad que tenemos hoy no la vimos, es porque su interacción es incluso más débil de lo que se pensaba”.
Pero el objeto del nuevo Laboratorio Lambda no es solo la “cacería” de este extraño personaje de la novela cósmica. Por primera vez en el mundo, hace seis meses, los científicos instalaron un Skipper-CCD dentro de la central nuclear de Atucha, a tan solo 12 metros del núcleo del reactor. Estos dispositivos son la mayor fuente de neutrinos que hay en la Tierra.
Para hacerse una idea, el detector es un gramo de silicio. Una película muy delgada de alrededor de dos centímetros por cuatro y unos 600 micrones de espesor, ubicada dentro de una cámara de vacío para protegerla de la humedad atmosférica y para que pueda funcionar a -130 grados Celsius. Además, tiene una electrónica asociada que le indica cómo mover la carga que se genera y que permite leer las imágenes. “En el fondo, es una cámara de fotos, pero registra imágenes de las partículas elementales que nos interesan –comenta Rodrigues–. Otra idea que tenemos es usarlo para fotones, que son las partículas de luz. Cada vez que uno de ellos llega el detector, arranca un electrón de su átomo. Entonces nosotros sabemos que si encontramos un electrón fuera de lugar, es porque vino un fotón y lo puso ahí. Así, también podemos contar fotones de a uno, algo muy valioso en experimentos de óptica cuántica”.
Además del detector instalado en Atucha, hay otro en el Laboratorio Lambda, en el segundo piso del Pabellón I de Ciudad Universitaria, otro en Bariloche, donde hay otro grupo de científicos que trabajan en colaboración con el Fermilab, y otro en Bahía Blanca. “Hay muchos argentinos trabajando en Fermilab y hay mucho intercambio de estudiantes, tesistas de licenciatura, doctorandos que van a finalizar su formación y vuelven con la experticia para manejar estos sensores –subraya Rodrigues–. O sea, que la participación local en la existencia de esta tecnología es importante, ya sea desde el país o por argentinos ya radicados en los Estados Unidos. Desde el laboratorio, intervenimos de dos maneras: haciendo análisis de datos y también investigando su funcionamiento. Es tan nueva (hace cinco años no existía, porque el primer paper de Javier es de 2017) que hay muchísimo por hacer para mejorarla y extender sus capacidades”.
"Esto es un sueño hecho realidad", confesó Tiffenberg, durante la inauguración.
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