Un año al divino fotón
El laboratorio LAMBDA cumplió un año de trabajo. En tan poco tiempo, ya produjo siete papers, una serie de investigaciones inéditas para Exactas UBA en materia oscura y física de neutrinos, y promisorios resultados en óptica cuántica, como la captura de imágenes en el infrarrojo de sólo un fotón por pixel, con una tecnología de detección que abre nuevas perspectivas en distintas disciplinas, desde la astronomía hasta la microscopía.
A lo largo de un año desde su inauguración, en junio de 2022, el Laboratorio Argentino de Mediciones de Bajo umbral de Detección y sus Aplicaciones (LAMBDA) ha desplegado investigaciones inéditas para la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA: búsqueda de materia oscura, física de neutrinos y óptica cuántica, todo ello gracias a una novedosa herramienta, el Skipper-CCD, un sensor capaz de detectar partículas con una altísima resolución, reduciendo el ruido de lectura a cero y permitiendo el registro de cantidades mínimas de energía.
Javier Tiffenberg y Darío Rodrigues, los directores de LAMBDA, hacen un balance de las investigaciones realizadas y en curso en el laboratorio montado en el Departamento de Física, que nació y se potenció a partir de la fructífera cooperación que impulsó Tiffenberg, en términos de recursos técnicos y humanos, con Fermilab, el célebre laboratorio de física de altas energías situado en las afueras de Chicago, Estados Unidos, que alberga el segundo acelerador de partículas más potente del mundo.
En apenas un año, se publicaron –o están en proceso de revisión– siete papers originados en investigaciones de LAMBDA o con las que el laboratorio colabora.
Hasta el Skipper, el umbral de medición de la luz era de un puñado de fotones, pero no se podía precisar exactamente cuántos.
El germen de esta iniciativa está en el trabajo de Tiffenberg en Fermilab, donde junto a otros colegas tomó una idea que existía hace décadas –los sensores CCD, charged coupled device o dispositivo de carga acoplada– y la reformuló desde una nueva perspectiva, creando el Skipper-CCD, desarrollo que en 2020 le valió ser reconocido con el premio New Horizons en Física.
Como explica el propio Tiffenberg, “el Skipper es la evolución de una tecnología de detectores que forman imágenes que ya estaba, por ejemplo, en las primeras cámaras digitales. Los CCD siguen siendo el dispositivo usado para medir luz o formar imágenes en telescopios y otros instrumentos científicos. Lo novedoso fue utilizarlos para ver radiación, para detectar partículas elementales. Básicamente se pensó para la búsqueda de materia oscura. Cuando las partículas atraviesan un CCD, que es un bloque de silicio, van depositando energía y provocan una reacción eléctrica, que deja una traza. Esa imagen, con una resolución espacial altísima, queda depositada en el sensor en forma de señales eléctricas”.
Hasta el Skipper, el umbral de medición de la luz era de un puñado de fotones, pero no se podía precisar exactamente cuántos. Ahora, este dispositivo puede, con ruido cero, medir la llegada de un fotón, uno solo, que se traduce en el sensor en un solo electrón, la carga eléctrica mínima detectable.
“Estamos muy contentos. El balance que hacemos del primer año de LAMBDA es realmente muy bueno –dice Tiffenberg, desde Chicago–. Ya tenemos varios sistemas funcionando y recabando datos, y uno de los papers publicados se hizo a partir de datos 100 por ciento obtenidos y analizados en el laboratorio”.
El trabajo demuestra que con la tecnología Skipper-CCD se puede construir un instrumento de captura de imágenes que supera en mucho a la mejor cámara comercial.
En el cuarto oscuro montado en el Pabellón 1 de Ciudad Universitaria, los investigadores de LAMBDA lograron formar y capturar imágenes en el infrarrojo con tan solo uno o dos fotones por pixel, lo que constituye fotografías imposibles de obtener con cualquier otra tecnología existente.
“Fue nuestra primera publicación como laboratorio –en el Physical Review Applied– y el primer experimento hecho completamente en LAMBDA, que además tiene como coautores a investigadores del Laboratorio de Óptica y Fotónica y del Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa (CITEDEF), cuya colaboración fue fundamental en todo este primer año”, cuenta Darío Rodrigues.
Darío Rodrigues y Javier Tiffenberg.
“Es un trabajo muy relevante porque demuestra, por primera vez, que con la tecnología Skipper-CCD se puede construir un instrumento de captura de imágenes que supera en mucho a la mejor cámara comercial –agrega Tiffenberg–. Obtenemos imágenes en la más alta calidad, al más bajo ruido, de forma repetible y estable, lo que permite pensar en producir dispositivos tanto para astronomía como para microscopía. Es un primer paso para avanzar sumando la técnica de captura de fotones correlacionados, en todas las líneas de investigación que tenemos sobre formación de imágenes en el mundo cuántico”.
El experimento se hizo sobre tres imágenes: la letra griega lambda, el título del paper escrito sobre una madera, y una estrellita dorada -“la tercera”-, porque la “foto” se tomó mientras esperaban –en vano– que la selección argentina de fútbol pasara por la Avenida Lugones, frente a Ciudad Universitaria, celebrando la obtención del Mundial.
¿Qué utilidad tiene contar fotones de a uno en el infrarrojo? Rodrigues aporta una aplicación que genera grandes expectativas: “Ya se encontraron más de 5.500 planetas fuera del sistema solar. Ahora los astrónomos buscan saber si en alguno de esos exoplanetas están dadas las condiciones para que haya vida. Una forma es ver si su atmósfera tiene oxígeno. Si hay, la luz del sol de ese planeta debe ser absorbida por el oxígeno, como pasa en el nuestro. Hay líneas espectrales características que darían cuenta de la existencia de oxígeno. Pero, para verlas, se estima que de esa longitud de onda puede llegar sólo un fotón por hora. Eso antes no se podía ver. Ahora se podría, con esta tecnología. El objetivo, entonces, a través de un convenio entre la NASA y Fermilab, y en el que LAMBDA está involucrado, es poner un Skipper en un telescopio. Si puede contar fotones de a uno, es el único instrumental que tiene la chance de ver esos fotones que llegan solitarios desde un exoplaneta”.
La búsqueda de materia oscura liviana fue el primer móvil de Tiffenberg y sus colegas de Fermilab para el desarrollo de esta tecnología de detección, pilar de Sensei, un proyecto internacional que integra junto a Rodrigues y una veintena de físicos teóricos y experimentales. Creado con ese fin, las aplicaciones del Skipper, capaz de detectar y medir con absoluta precisión unidades mínimas de luz y carga, se revelaron de inmediato mucho más vastas para la astronomía y para muchas otras disciplinas.
Respecto de la investigación en física de neutrinos, la atención se centra en los datos que obtiene un sensor en Atucha II. Es el primero de este tipo ubicado dentro de un reactor nuclear, en un experimento que comenzó un año atrás y cuyos resultados se publicarán en breve.
Colocando Skipper en un telescopio se podría detectar la presencia de oxígeno en un exoplaneta.
Otra aplicación potencial de los Skipper-CCD de LAMBDA es la microscopía cuántica, la posibilidad de observar muestras celulares “in vivo” arrojando sobre ellas muy poca o ninguna luz, preservándolas.
Una cuarta pata del menú de LAMBDA (además de la óptica cuántica, la materia oscura y la física de neutrinos) es el desarrollo permanente de nuevas capacidades del sensor, para lo cual no necesitan estar dos kilómetros bajo tierra (como en SNOLab, el laboratorio de Ontario, Canadá, donde se encuentra Sensei) ni dentro de un reactor nuclear. La tesis doctoral “Origen y caracterización de eventos de un electrón en Skipper-CCDs para la búsqueda de materia oscura liviana”, con la que Mariano Cababie acaba de doctorarse en LAMBDA, refrenda esa línea de investigación.
Su trabajo permitió establecer para el experimento Sensei el límite de exclusión más riguroso para la detección de materia oscura liviana. Lo explica Rodrigues: “Mariano diseñó estrategias para reducir al mínimo los eventos de un electrón que aparecen en los CCD. Los CCD son millones de cajitas de 15 x 15 micrones, literalmente ‘tramperas’ que capturan electrones. Esos electrones están en lo que llamamos ‘capa de valencia’. Cuando reciben un poquito de energía se mueven hacia la ‘capa de conducción’, y entonces pueden quedar atrapados. Ahora bien, en la búsqueda de materia oscura, lo que uno espera es que, si existe, cuando pase por el bloque de silicio ionice un electrón, o sea, le dé la energía que necesita para moverse hacia la otra capa de energía. Pero si, por temperatura, vibración o por efecto del mismo material de que está hecho el CCD, vos ya tenés eventos que pueblan las tramperas, no sabés si fueron producidos por materia oscura o no. La respuesta fue reducir a valores ridículamente ínfimos el número de eventos de un electrón que aparecen por causas que sabemos que no son materia oscura. En síntesis, es el experimento que tiene la mejor cota de exclusión para materia oscura liviana. Ese espacio de parámetros donde podría estar la materia oscura, el que mejor lo ‘barre’ es Sensei”.
Javier Tiffenberg y Darío Rodrigues celebran el modo virtuoso en el que, en apenas un año, LAMBDA se insertó en la dinámica del Departamento de Física de Exactas UBA. Se están haciendo tres doctorados (uno ya terminó, Cababie) y dos posdoctorados, y una decena de estudiantes cursaron allí Laboratorio 6 y 7, las últimas dos materias experimentales de la carrera de Física.
“Las perspectivas son muy buenas –aseguran–. Queremos seguir creciendo, instalar este año otro Skipper, y de ese modo poder hacer más experimentos en simultáneo”.
