Un electrón, uno solo
La inauguración del Laboratorio Argentino de Mediciones de Bajo umbral de Detección y sus Aplicaciones (LAMBDA) abre la puerta a investigaciones inéditas en Argentina, en búsqueda de materia oscura, física de neutrinos, óptica cuántica y astronomía, a través de un novedoso instrumental capaz de detectar partículas con una altísima resolución, reduciendo el ruido de lectura a cero y posibilitando el registro de unidades mínimas de energía.
La Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA tiene desde la semana pasada un nuevo laboratorio. Se trata de LAMBDA, siglas del Laboratorio Argentino de Mediciones de Bajo umbral de Detección y sus Aplicaciones, que ya funciona en el Departamento de Física, como parte del Instituto de Física de Buenos Aires (IFIBA, UBA-CONICET). Es un espacio dedicado a la física experimental de partículas elementales y permitirá desarrollar novedosas investigaciones en búsqueda de materia oscura, física de neutrinos, óptica cuántica y astronomía.
Javier Tiffenberg y Darío Rodrigues son los directores del laboratorio, inaugurado tras varios años de trabajo colaborativo. En rigor, LAMBDA funciona hace tiempo como grupo de investigación, a partir de una alianza con Fermilab, el célebre laboratorio de física de altas energías situado en Batavia, en las afueras de Chicago, Estados Unidos, que alberga el segundo acelerador de partículas más potente del mundo, después del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), montado en la frontera franco-suiza por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN).
Tiffenberg, que estudió e hizo su doctorado en Exactas UBA, trabaja desde hace una década en Fermilab, y en todo este tiempo estuvo pivoteando entre Chicago y Buenos Aires, impulsando la cooperación en términos de recursos y equipos, programas de intercambio para estudiantes e investigadores visitantes y múltiples proyectos compartidos entre el Departamento de Física y el laboratorio estadounidense.
En LAMBDA se desarrollarán novedosas investigaciones sobre materia oscura, física de neutrinos, óptica cuántica y astronomía.
En 2020, el trabajo de Tiffenberg fue reconocido con el premio New Horizons en Física, que entrega la Fundación Breaktrough. Junto a otros colegas de Fermilab, reformuló una idea que existía hacía décadas pero desde una nueva perspectiva: la puesta en funcionamiento de un sensor CCD (charged coupled device o dispositivo de carga aplicada) capaz de detectar partículas elementales con una altísima resolución, reduciendo el ruido de lectura a cero y posibilitando, por primera vez, el registro y la medición de unidades mínimas de energía.
Ahora, la posibilidad de instalar en Exactas UBA ese instrumental, llamado Skipper-CCD, cristalizó todos los proyectos reunidos hace años bajo el nombre de LAMBDA en un espacio físico, un nuevo laboratorio con una amplia gama de aplicaciones.
“El Skipper es una evolución de una tecnología que ya existía y que se usaba típicamente para detectores que forman imágenes –señala Tiffenberg–. Por ejemplo, las primeras cámaras digitales tenían CCD, hoy reemplazados por nuevas tecnologías de sensores de luz. Pero los CCD siguen siendo el dispositivo que se usa para medir luz o formar imágenes en los telescopios y otros instrumentos científicos, porque permiten obtener una calidad de imagen muy superior. Hace unos años, en el grupo de Fermilab en el que trabajo vieron que los CCD también podían usarse para detectar partículas elementales, para ver radiación. Cuando las partículas atraviesan un CCD, que es un bloque de silicio, van depositando energía en su camino, y provocan una reacción eléctrica que deja una traza que uno puede ver como si fuese una foto, pero con una resolución espacial altísima, que queda depositada en el sensor en forma de señales eléctricas”.
Darío Rodrigues y Javier Tiffenberg en la “clean room” del laboratorio recién inaugurado. Foto: Exactas UBA.
Esa metodología de los CCD tradicionales fue radicalmente optimizada por el Skipper. “Cuando uno saca una foto con el celular en un lugar donde hay poca luz -ejemplifica Tiffenberg-, se ven las zonas oscuras no como un negro plano, sino con píxeles más o menos iluminados, pero lo que se ve no mide ni representa exactamente la realidad. ¿Qué es lo que pasa? El sensor es poco sensible y no logra distinguir si esa cantidad de luz que le llega, que es tan poquita, es cero o cuánto; a veces le pone un número, a veces otro. Ahora bien, cuanto más sensible es un sensor CCD, menos luz necesita para registrar si llegó luz o no. Hasta el Skipper, había un umbral de medición muy bajo en el que, cuando llegaban poquitos fotones, que son la unidad mínima de luz, no se podía decir exactamente cuántos. Ahora, por primera vez, el Skipper-CCD es capaz de detectar señales eléctricas depositadas en el silicio con cero ruido. Y uno puede decir: me llegó un fotón, que se tradujo en mi detector en un electrón, que es la carga mínima que se puede detectar, pero sé que es sólo uno, ni dos ni cinco”.
“Eso es único en el Skipper. Sin ruido, sabés si hay mil electrones o mil uno -agrega Rodrigues, señalado en el Departamento de Física como el alma máter de la transformación de LAMBDA, donde ya hicieron sus tesis de licenciatura ocho estudiantes de grado, en un espacio concreto en el Pabellón 1-. Y esa posibilidad de contar electrones de a uno significa que podés ver cosas con un umbral de detección muy bajo, algo que es fundamental en física de neutrinos o materia oscura”.
La herramienta clave del proyecto es el Skipper-CCD, un sensor capaz de detectar partículas elementales con una altísima resolución.
La búsqueda de materia oscura liviana, precisamente, fue la motivación original de Tiffenberg y sus colegas de Fermilab cuando desarrollaron esta tecnología de detección, como parte del proyecto bautizado Sensei. “Nadie sabe qué es la materia oscura, puede ser que no exista. Pero la enorme mayoría de la comunidad científica cree que existe y que vale la pena buscarla y tratar de entender qué es. Y una de las posibilidades es que la materia oscura sea algo que interactúe dejando señales muy tenues. De ahí surge el Skipper. ¿Qué pasó después? Claro, un detector que tiene cero ruido y es capaz de ver las unidades mínimas de luz y carga tiene muchas más aplicaciones, que son las que estamos explorando también en LAMBDA”.
Además de los trabajos en materia oscura, los investigadores del laboratorio ya están obteniendo datos de un Skipper-CCD, el primer sensor de ese tipo ubicado dentro de un reactor nuclear, el de Atucha II, para el estudio de los neutrinos, otra partícula descubierta hace casi un siglo, con probabilidades de interacción mínimas con la materia, y de la que todavía la física teórica tiene mucho por comprender.
Trazas de radiación, mensurables en valores exactos de energía, registradas en el silicio del Skipper-CCD que los investigadores ubicaron dentro del reactor de Atucha II.
Pero el sensor de LAMBDA tiene otras aplicaciones prácticas. Rodrigues explica sus usos en óptica cuántica. “El Skipper-CCD podría resolver un problema clave en biología, que es que la muestra se muere cuando la miro. En microscopía cuántica, se podría arrojar menos luz sobre las muestras celulares que se quiere observar ‘in vivo’, y después contar de a uno los fotones que se recuperan, usando cien veces menos fotones sin ‘matar’ lo que estás mirando, sin que se pierda tu objeto de estudio”.
Otra aplicación de esta novedosa herramienta para la formación de imágenes es la astronomía, disciplina en la que el investigador debe observar objetos distantes que producen cantidades muy exiguas de luz. “Hoy hay muy pocos lugares en el mundo que tengan este instrumental en funcionamiento, útil para desarrollar múltiples líneas de investigación”, resume Tiffenberg.
“Por primera vez, podemos detectar señales eléctricas con cero ruido. Y con bajísimo umbral: hasta un solo electrón”, precisa Tiffenberg.
Se da en LAMBDA, por las particularidades del proyecto y, puntualmente, de la tecnología desarrollada para la detección de partículas, un cierto equívoco gramatical. Si bien sus investigadores están insertos en el Grupo de Física Experimental de Altas Energías, su búsqueda apunta a detectar interacciones de muy baja energía.
Lo explica Tiffenberg. “Digamos que formamos parte de una comunidad científica que estudia partículas, es decir, las unidades mínimas de la materia. ¿Por qué siempre se habla de ‘altas energías’? Bueno, porque tradicionalmente la forma más común de hacer física experimental de partículas era con colisionadores o rayos cósmicos, acelerándolas, para darles muchísima velocidad y energía y hacerlas chocar con otras cosas y ver cómo interactúan. En realidad, ese concepto se debe simplemente a la técnica experimental utilizada, pero lo cierto es que instrumentos como el Skipper-CCD permiten estudiar partículas elementales sin la necesidad de altas energías”.
Para Rodrigues, en esa aparente contradicción reside “lo maravilloso” de esta novedosa herramienta, “porque combina ambas escalas, y nos permite hacer en Argentina esa ciencia que llamamos ‘de frontera’ con experimentos ‘de mesada’”.
