Un físico colombiano participó en el descubrimiento de una cuasipartícula teorizada hace 50 años, pero esquiva para los científicos durante todo ese tiempo. Con este avance, damos un paso más para entender cómo interactúan los componentes de la materia y, de paso, la naturaleza y el universo.
Por: César Orozco Carrillo
Cursaba primero de primaria cuando Carlos Arturo Ávila, un físico de partículas que ha centrado sus investigaciones en entender los componentes fundamentales de la materia, descubrió su amor por resolver problemas matemáticos. Tenía 7 años y, desde entonces, superar desafíos difíciles se convertiría en una de sus pasiones, junto a la enseñanza.
Es el quinto de seis hermanos, pero fue el primero en acceder a la educación superior. “Mi papá era, básicamente, un obrero en la empresa donde trabajaba, por lo que no pensábamos que él ni ningún otro familiar nos pudiera pagar los estudios. Mis hermanos mayores terminaron el colegio y tuvieron que salir a trabajar. En ese sentido, yo, siendo el quinto, era afortunado porque podía pensar en estudiar; mis opciones eran ingresar a una universidad pública”, recuerda.
En segundo de primaria presentó un examen en la empresa de su padre, gracias al cual decidieron becarlo en el colegio que escogiera. Al terminar el bachillerato, y al ver que sus notas siempre fueron buenas, extendieron la oferta a cualquier universidad y carrera profesional. Esta oportunidad y su dedicación lo llevarían, años después, a trabajar en experimentos con protones y antiprotones, uno de los cuales lo conduciría a participar en el descubrimiento de Odderon, una cuasipartícula buscada por los científicos por casi 50 años.
Desde el principio supo que quería estudiar Física, pero era consciente de que debía aportar en su casa. Optó por Ingeniería Eléctrica, una carrera para aprovechar sus facilidades para las matemáticas y que le podría incrementar las opciones de encontrar trabajo.
“Ese fue un excelente matrimonio: el de las dos carreras. Desde que empecé a hacer mi tesis de pregrado en Física, siempre he trabajado en la parte de hardware: en la construcción de montajes para hacer la toma de datos, con tarjetas electrónicas y sistema de gestión. Además, mi formación en ingeniería me ha servido para querer buscar cómo esa investigación básica que hacemos puede tener aplicaciones interdisciplinarias. Me ayuda a aterrizar mejor las ideas”, reflexiona Ávila, quien se desempeña desde hace más de 20 años como profesor de Física en su alma mater.
Para la tesis de pregrado viajó al Laboratorio Nacional Fermi en EE. UU., más conocido como Fermilab. De allí pasó por una maestría en la Universidad de Massachusetts y un doctorado en la Universidad de Cornell. Toda su investigación ha girado alrededor de la física de partículas (el estudio de los componentes fundamentales de la naturaleza y de toda la materia), gracias a la influencia de sus profesores Rolando Roldán y Bernardo Gómez, que lo ayudaron a encarrilarse por ese camino. “Mi interés es entender cómo se comporta la naturaleza, mirándola desde un punto de vista microscópico”.
Más adelante llegaría la investigación en uno de los colisionadores de partículas de Fermilab que serviría para confirmar la existencia de Odderon.
Protones, antiprotones, gluones y quarks
Desde hace 200 años se sabía que la materia estaba compuesta por átomos, aunque se pensaba que estos eran la partícula más pequeña e indivisible que existía. Ahora, por el contrario, sabemos que los átomos están compuestos por unas partículas aún más pequeñas: los protones y los neutrones —que constituyen su núcleo— y los electrones —que giran alrededor de estos últimos—. Pero, además, sabemos sobre la existencia de la antimateria, compuesta por antiprotones, antielectrones y antineutrones.
Los protones, a su vez, están compuestos por gluones y quarks. Los primeros son los responsables de la Fuerza Fuerte (o fuerza nuclear) —tan poderosa que es capaz de contrarrestar la fuerza electromagnética que hace que dos partículas con la misma carga eléctrica tiendan a repelerse—. En otras palabras, son los encargados de mantener unidos dentro del núcleo atómico a varios protones. De allí que su nombre provenga de glue, que significa pegamento en inglés.
Los quarks, por su parte, dictan las características de las partículas que componen y también hacen parte de los neutrones.
Este conocimiento se ha conseguido, en parte, gracias a los experimentos de los colisionadores de partículas, que recrean las condiciones en que se originó el universo (bigbang). Cuando dos protones se encuentran a muy altas energías, se produce uno de dos resultados: se fragmentan o desvían su trayectoria. En el primer caso, que ocurre la mayoría de las veces, estos se dividen en nuevas partículas (una colisión inelástica).
Por el contrario, en un 25 % de veces, los protones permanecen intactos y conservan su misma energía inicial, pero cambian la dirección de movimiento (colisión elástica). En esta ocasión, las investigaciones están encaminadas a comprender cómo y por qué no se fragmentan. Una de las explicaciones teóricas apunta a que se debe a un intercambio de gluones en el momento de la interacción.
“Investigar es muy importante, pero poder transmitir lo que sabemos para que nuevas generaciones hagan avanzar la frontera del conocimiento más allá de lo que uno entiende es de lo más gratificante para mí”.
Carlos Ávila, director del Laboratorio de Altas Energías de la Universidad de los Andes.
En busca de una cuasipartícula evasiva
Pero volvamos Ávila y Odderon.
En 1973, los físicos Leszek Łukaszuk y Basarab Nicolescu teorizaron la existencia de una cuasipartícula —partícula con un tiempo de vida instantáneo que no puede ser medida experimentalmente— compuesta por un número impar de gluones (llamada Odderon), que se intercambiaba de manera instantánea entre los protones cuando ocurre una colisión.
Para entonces ya se sabía que en esas colisiones intervenía la fuerza electromagnética, con un intercambio de fotones. También que, por la fuerza fuerte, podían intercambiar una cuasipartícula compuesta por un número par de gluones (llamada Pomerón). Sin embargo, de acuerdo con Ávila, para encontrar a Odderon sería necesario comparar las colisiones protón-protón y protón-antiprotón para buscar alguna diferencia.
Precisamente, a principios del siglo XXI, el físico colombiano trabajó en el experimento protón-antiprotón DZero en Tevatron —un acelerador de partículas que funcionó entre 1987 y 2011 en Fermilab—. Allí lideró el equipo técnico que debía construir las herramientas capaces de recibir la información producida en el acelerador de partículas y traducirla a datos en computador que pudieran ser analizados con posterioridad. También lideró el análisis de los datos y la publicación científica de 2012, en la cual aseguraban que en los futuros experimentos del CERN se podrían encontrar las diferencias buscadas.
Media década después, el físico francés Christophe Royon contactó a Ávila, su antiguo colega de distintos experimentos, para hallar la manera de unir los resultados del experimento TOTEM —en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN en Suiza— y los del DZero.
Ávila fue el encargado de guiar al equipo que intentaría recuperar la información de Dzero, por haber liderado la publicación con antiprotones —el último experimento realizado en este campo por sus grandes costos—. Como el antiguo experimento fue adelantado a una menor energía y en un acelerador distinto, los datos no coincidían, por lo cual era necesario traducirlo a un lenguaje que pudiera ser comparado con los resultados de TOTEM.
Cuando intentaron recuperar la información, encontraron que el software utilizado una década atrás ya no funcionaba, por lo que el primer paso fue crear uno nuevo.
Royon le explicó a la revista Symmetry que tardaron un año y muchos cruces de información en encontrar ese lenguaje común. Al final, estadísticamente pudieron asegurarle al mundo que habían encontrado a Odderon.
En otras palabras, nos acerca un poco más a comprender cómo funcionan e interactúan entre sí los componentes de la materia que están presentes en la naturaleza y en el universo, aunque, por ahora, los resultados no sean tangibles, asegura Ávila.
“En la historia de la física, la utilidad de los descubrimientos no es entendida de forma inmediata. Pasó con el electrón, se sabía que era interesante porque podía ayudar a entender ese mundo microscópico, pero nadie tenía claro que, décadas después, iba a implicar una revolución tecnológica como la que hoy día estamos viviendo. Sabemos que estos avances sirven para conocer mejor la naturaleza, lo que puede tener futuras implicaciones tecnológicas que hoy día ni siquiera podríamos imaginar”, concluye.
Las herramientas desarrolladas por Carlos Ávila y sus equipos ahora están siendo utilizadas de forma experimental en las mamografías, gracias un trabajo interdisciplinario con profesores de medicina.
En pocas palabras, los detectores utilizados en los experimentos con protones ahora son usados para obtener más información de la energía de los fotones y una mejora en el contraste: las imágenes pueden proveer más detalles de las características de las microcalcificaciones que sirven de indicadores sobre posibles lesiones cancerígenas en tejido mamario, lo que facilita el diagnóstico médico.
Sin embargo, deben implementar una mejora técnica para aumentar el flujo de fotones recibidos, ya que las tomas mamográficas deben ocurrir de forma casi inmediata para que los movimientos del paciente no alteren la calidad de la imagen.
