Road Trip: Villigen, Suiza

Vista aérea del Paul Scherrer Institute (PSI).

Esta es la primera entrega de una serie que he llamado Road Trip, en la que espero compartir la experiencia de visitar lugares donde se realiza interesante física.

Hace unas semanas llegué a Suiza para participar en una conferencia y luego permanecer de visita en el Paul Scherrer Institute (PSI), el laboratorio federal suizo en el que se lleva a cabo investigación básica y aplicada. PSI se ubica cerca de Zürich, en el norte de Suiza junto a pequeño pueblo llamado Villigen. Sus áreas de investigación incluyen física nuclear, estudios en física de energía, ingeniería nuclear tanto en el diseño de reactores como en la producción de energía, tratamiento de cáncer con protones, biología y química ambiental. El laboratorio de física de partículas se enfoca completamente en estudios usando neutrones y muones.
Entre el 9 y el 12 de septiembre se realizó el Workshop on Physics of Fundamental Symmetries and Interactions (PSI2013), la conferencia más importante en el área de estudios de física fundamental a bajas energías que se realiza cada tres años. En CERN al sur del país, el LHC explora el mundo microscópico machacando protones a altas energías; al contrario, este workshop reúne a otra comunidad de físicos estudiando sistemas a bajas energías, lo que permite un gran control de las condiciones de los experimentos y por lo tanto las mediciones se realizan con una precisión imposible de lograr a altas energías. La conferencia fue excelente, interesantes nuevos resultados fueron presentados y el intercambio de ideas entre diferentes grupos alrededor del mundo llevó a la propuesta de nuevas mediciones.
Tuve la oportunidad de presentar mi reciente investigación en la que proponemos nuevos métodos para estudiar los fundamentos de la relatividad usando desintegraciones nucleares. La propuesta tuvo muy buena recepción y laboratorios en Alemania, EEUU, Países Bajos y Suiza intentarán realizar las mediciones usando la técnica propuesta, lo que me dejó muy contento.
Uno de los momentos divertidos ocurrió durante la cena de la conferencia, en la que el director del Laboratorio dio un pequeño discurso agradeciendo a los cientos de participantes por asistir y cosas típicas así. Al final de su discurso comenzó a hablar de mi trabajo y cómo se relacionaba con un estudio secreto del laboratorio el cual había sido desclasificado recientemente. Sin entender de qué hablaba, seguí atónito (igual que todos los presentes) su descripción de cómo un experimento con muones había descubrierto una falla en la relatividad que les permitió conseguir financiamiento privado para construir una máquina del tiempo. Sí, el director del laboratorio anunciaba muy serio que habían construído una máquina del tiempo. En ese momento fue claro que estos suizos tienen un gran sentido del humor y las risas se adueñaron del lugar. Pero eso no era todo, había un invitado especial: un físico del laboratorio había recién llegado del año 2051 y quería compartir algunas experiencias. En eso otro miembro del laboratorio tomó el micrófono y tuvo a todos riendo por un buen rato con chistes bastante nerds, incluyendo cómo el problema del radio del protón (un resultado anómalo descubierto en PSI) fue resuelto por los físicos de OPERA cuando encontraron un cable suelto, describió cómo el LHC fue desmantelado cuando la gente se aburrió del Higgs y lo más importante en 2051 supersimetría está sólo a la vuelta de la esquina (este es un chiste que lleva años y es una especie de burla porque LEP, Tevatron y el LHC no han encontrado señales de supersimetría todavía). El físico/comediante se llevó los aplausos junto al director del laboratorio que sorprendió a todos con la seriedad de su «anuncio».
Recorriendo el laboratorio también me encontré varios autos eléctricos adornados con las ecuaciones de Maxwell.

auto eléctrico adornado con las ecuaciones de Maxwell

Después de los cuatro días de conferencia, permanecí en el laboratorio invitado por la División Teórica, donde además de dar un seminario con más detalles de mi trabajo tuve la oportunidad de recorrer varias de las instalaciones del laboratorio. Fue espectacular ver en vivo varios experimentos que hasta ahora sólo conocía por imágenes y que permitirán testear algunas de las ideas en las que estoy trabajando con neutrones y muones. Los neutrones son hadrones (partículas compuestas por quarks) que junto a los protones forman los núcleos de los átomos. Por otro lado, los muones son partículas fundamentales (sin estructura interna) similares al electrón pero unas 200 veces más masivo.
Para producir estas partículas en el laboratorio, se comienza con una simple botella con hidrógeno. Este átomo está formado por un único protón en el núcleo y un electrón orbitándolo. Luego de sacarlo de la botella, los átomos de hidrógeno se ionizan (se les arranca el electrón) y sus núcleos (protones) se hacen pasar por un acelerador inicial llamado generador Cockcroft-Walton, que les da el primer impulso hasta una energía de 870 keV. Luego los protones pasan a un ciclotrón de tamaño medio llamado inyector, donde se aceleran nuevamente esta vez alcanzando una energía de 72 MeV. Al salir de este ciclotrón, los protones son conducidos al acelerador estrella del laboratorio: un enorme ciclotrón de más de 9 metros de diámetro llamado anillo de 8 sectores, donde los protones alcanzan 590 MeV de energía (la imagen de la derecha muestra dos personas junto al ciclotrón que da una idea de su enorme tamaño).
Encuentro fascinante ver cómo una máquina inventada hace más de 80 años por Ernest Lawrence, ahora usando componentes modernos, mantenga su diseño original para acelerar partículas. Inicialmente podía sostenerse en la palma de la mano, pero con los años los ciclotrones comenzaron a crecer dando inicio a la ciencia en grande. Para una entretenida narración al respecto recomiendo la serie de artículos de Laura Morrón.

Muones

Como decía antes, los muones son partículas fundamentales con carga negativa, primos pesados del electrón. Los protones en el ciclotrón son acelerados al máximo y se extraen para ser lanzados contra un blanco en reposo fabricado con una combinación de materiales. Esta colisión genera mesones (hadrones formados por dos quarks) cargados llamados piones, los que se desinteran rápidamente en muones y neutrinos. Los neutrinos escapan y los muones son capturados para ser estudiados. Uno de los principales experimentos con muones en PSI es MEG, que recientemente ha presentado nuevos resultados. MEG estudia la posible desintegración de un muón en un electrón y un fotón. De acuerdo al modelo estándar, la probabilidad de que este proceso ocurra es tan baja que sería imposible de detectar, por lo que su observación en MEG indicaría física más allá del modelo estándar. Por este motivo los ojos de la comunidad científica están puestos en sus resultados. Luego de varios años tomando datos, MEG no ha encontrado señales de esta rara desintegración. Sólo hace unas semanas MEG comenzó un proceso de mejoras en sus instrumentos por lo que tuve la oportunidad de visitar el experimento mientras es desarmado. MEG posee un set webcams que permiten ver su estado en tiempo real.
Muones son también extraídos y llevados a otros experimentos, algunos de los cuales permiten crear los llamados átomos muónicos. Físicos han logrado manipular los átomos de tal manera que pueden arrancar un electrón en torno al núcleo y reemplazarlo por un muón. Ya que tiene la misma carga eléctrica que el electrón, el muón queda orbitando al núcleo, sin embargo al ser más masivo que el electrón su órbita es más pequeña y la manera en que el átomo interacciona con la luz (su espectro) cambia, por lo que al comparar con un átomo normal permite medir las propiedades del núcleo con gran precisión. Esto se ha logrado con átomos de hidrógeno creando el llamado hidrógeno muónico (un muón en torno a un protón) y también con sistemas más complicados como el helio. Otros experimentos similares permiten la fabricación de átomos exóticos como el muonio, en el que se toma un átomo de hidrógeno y el protón central es reemplazado con un antimuón (carga positiva, igual que el protón). En este caso, el par orbita un centro de masas común.
Con esto se logra manipular las partículas para fabricar nuevos átomos y estudiar en detalle sus propiedades. Visitando estos laboratorios aprendí también que en el futuro cercano se pretende estudiar los efectos de la gravedad en estos átomos exóticos, compitiendo con los experimentos de antimateria en el CERN. Debería agregar que Villigen es una pequeña localidad muy rural a minutos de PSI, fue un agrado caminar cada mañana junto a vacas y ovejas. El mujido de las vacas podía escucharse desde el laboratorio lo que llevaba a obvios chistes relacionando vacas y muuuuuuuones.

Neutrones

Algunos protones del gran ciclotrón son extraídos para otros experimentos, en particular son usados para bombardear un blanco con pulsos cortos (un par de segundos) lo que remueve neutrones en los núcleos atómicos del blanco. Estos neutrones se mueven lentamente y se hacen pasar por una serie de materiales llamados moderadores que permiten enfriar los neutrones. Aquí el término enfriar se refiere a hacer que los neutrones se muevan más lento. Cuando se logran neutrones moviéndose sólo a un par de metros por segundo se habla de neutrones ultra fríos (UCN por si sigla en inglés). PSI posee una de las fuentes de UCN más intensa del mundo. Los UCN pueden ser usados en diversos experimentos, de particular interés en física fundamental es la búsqueda de la distribución de carga eléctrica dentro del neutrón. Como sabemos, los neutrones tienen carga neta cero, sin embargo están compuestos por quarks, los que individualmente poseen carga eléctrica. Por ahora no se ha logrado determinar la distribución de carga del neutrón (en términos técnicos se busca el llamado momento dipolar eléctrico), que podría ayudar a comprender indorectamente por qué el universo posee más materia que antimateria.

Súper fuente de luz

Una de las instalaciones más características de PSI se denomina Swiss Light Source (SLS), que es un acelerador de electrones, es el enorme anillo visible en la imagen aérea de PSI. Este es un acelerador multipropósito, se utiliza principalmente en el estudio de ciencia de materiales, biología y química. En el SLS los electrones recorren los casi 300 metros de circunferencia alcanzando energías de hasta 2.5 GeV, emitiendo un tipo muy especial de luz llamado radiación de sincrotrón. Para los interesados, nuevamente recomiendo un excelente artículo de Laura Morrón sobre la radiación de sincrotrón.
El SLS corresponde a una intensa fuente de rayos X usada hace un tiempo para estudiar cuasipartículas de electrones llamadas orbitones, lo que dio para una seguidilla de titulares erróneamente hablando de la estructura interna del electrón y que explicamos usando una analogía con sardinas.

Luego de diez días la visita llegó a su fin. Tuve intensos intercambios de ideas con físicos teóricos y experimentales, fueron días muy productivos. Espero visitar otras instalaciones experimentales en futuro y contar acerca de la física que se realiza allí. La próxima parada en este tour europeo es por otros 10 días en Estocolmo, Suecia.