7 oct. 2013

Innovar en ciencia

publicado en La Jorenada Morelos el 7 de ocutbre de 2013.
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El Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN, por sus siglas en francés) tiene como objetivo la búsqueda de los componentes básicos de la materia -las partículas elementales- así como su origen y las fuerzas que actúan entre ellos. Tienen el mayor acelerador de partículas del mundo y los instrumentos científicos más complejos para estudiar los productos resultantes de las colisiones de las partículas aceleradas a velocidades próximas a la velocidad de la luz y aprender sobre las leyes de la Naturaleza (http://home.web.cern.ch). De manera irónica, se dice que algunos físicos para conocer de qué partes está constituido un automóvil, harían que dos iguales chocaran de frente a la mayor velocidad posible para reconstruirlo de los miles de trocitos resultantes.
            Desde el punto de vista institucional, el CERN es un laboratorio internacional con 20 estados miembros (Austria, Bélgica, Bulgaria, la República Checa, Dinamarca, Finlandia, Francia, Alemania, Grecia, Hungría, Italia, los Países Bajos, Noruega, Polonia, Portugal, República Eslovaca, España, Suecia, Suiza y el Reino Unido), un estado candidato (Rumanía), 8 observadores (la Comisión Europea, India, Israel, Japón, la Federación Rusa, Turquía, la UNESCO y los EE.UU.) y varios países “no miembros asociados” donde se incorpora México. Emplea a poco menos de 2400 personas. Además, otros 10,000 científicos visitan al CERN para llevar a cabo su investigación, representando a 608 universidades y 113 nacionalidades.
            El acelerador de partículas más importante del CERN es el llamado Gran Colisionador de Hadrones (LHC, en inglés), y es el más grande y más potente del mundo. Es grande porque su circunferencia es de 27 kilómetros, colisionador porque las partículas que viajan en los haces chocan o colisionan y hadrones porque son el tipo de partículas (protones o iones) que forman los haces. La inversión para construir el LHC fue de 60,000 millones de pesos. Se puso en marcha el 10 de septiembre de 2008, y sus instalaciones están dentro de un anillo de 27 kilómetros, a 100 metros de profundidad.Inside the accelerator, two high-energy particle beams travel at close to the speed of light before they are made to collide. En el interior del acelerador, dos haces de partículas de alta energía viajan a casi a la velocidad de la luz antes de obligar a que choquen entre ellos. Los haces viajan en direcciones opuestas dentro de tubos, cuyos interiores están al ultra alto vacío, y que son acelerados por sistemas de radio-frecuencia. Ellos son guiados alrededor del anillo por campos magnéticos muy fuertes generados por electro-imanes superconductores, fabricados con alambres muy especiales que operan en estado superconductor; es decir, conducen la electricidad sin resistencia y por lo tanto sin pérdida de energía. Para lograr dicho estado superconductor, se requiere que los imanes estén a -271.3 grados centígrados, lo que necesita un sistema de enfriamiento a base de helio líquido.
            Miles de imanes de diferentes variedades y tamaños son utilizados para dirigir los haces alrededor del anillo, entre otros: 1232 dipolos magnéticos de 15 metros de largo cada uno para doblar los haces y 392 cuadrupolos de entre 5 y 7 metros de largo para enfocar a los haces. Justo antes de la colisión se utiliza otro tipo de imán para compactar al haz e incrementar las probabilidades de chocar. Hacer chocar a las partículas pequeñas que viajan en el haz se considera equivalente a disparar dos agujas que se encuentran 10 kilómetros separadas y lograr que colisionen a la mitad del camino.
            Cada protón que viaja en el anillo del LHC tiene una energía de 7 TeV, así que cuando chocan dos la energía de la colisión es de 14 TeV. Si chocan iones de plomo, que tienen muchos protones, la energía de colisión es de 1150 TeV. Ambas cifras no se habían logrado en ningún laboratorio del mundo. Sin embargo, en una colisión lo realmente importante es la concentración de la energía. De hecho, 1 TeV es la energía empleada al volar por un mosquito. Lo que hace al LHC tan extraordinario es que compacta a la energía en un espacio que equivale a un billonésimo del ocupado por el mosquito.
            Nuestro entendimiento actual del Universo es incompleto. Así, los objetivos científicos más importantes del LHC están relacionados con responder a cuestiones no resueltas por el Modelo Estándar de la Física, que es el mejor para describir el mundo físico que conocemos. Este Modelo Estándar no ofrece una descripción unificada de todas las fuerzas fundamentales, que podría ser entendido si se detectan las partículas súper-simétricas más ligeras. Tampoco explica las observaciones cosmológicas y astrofísicas que muestran que toda la materia visible corresponde a sólo el 4 por ciento del Universo, y se está buscando detectar alguna partícula neutra súper-simétrica que conforme a la materia y energía obscuras, 23 y 73 por ciento del Universo, respectivamente. Además, ayudará a investigar el misterio del desequilibrio entre materia y antimateria, que deberían haber sido producidas en las mismas cantidades durante el Big-Bang pero, según nuestras observaciones, el Universo sólo está hecho de materia. Finalmente, las colisiones entre iones pesados en el LHC podrán darnos una imagen del estado de la materia en los primeros instantes del Universo: la sopa primigenia o el plasma quark-gluón.
            El año pasado, experimentos en el LHC ya dieron resultados fundamentales para asegurar al Modelo Estándar como el mejor para nuestra explicación del Universo. Al detectar al bosón de Higgs, se logra la confirmación experimental de la teoría que explica el origen de la masa y porqué algunas partículas son muy pesadas y otras ni siquiera tienen masa.
            Un reto enorme es transformar la información generada en un experimento del LHC en conocimiento, ya que 150 millones de sensores entregan datos 40 millones de veces por segundo. Ya filtrada la información de manera automática, habrá 100 colisiones de interés por segundo, lo que representa almacenar y distribuir una cantidad de datos equivalentes a 700 MB por segundo.
            Los retos científicos que se plantearon resolver con el LHC son de largo plazo, 10 años de construcción y 20 años de operación. Las necesidades de ingeniería, materiales y comunicaciones, entre otras, no se podían comprar en el mercado, debieron de innovar en todos los aspectos. Como resultado de estos avances, en el CERN se descubrieron la world wide web, las pantallas táctiles, softwar para clasificación e identificación de materiales, detectores de silicio con resolución de 200 millonésimas de millonésima de segundo, máquinas de terapia de hadrones contra tumores y sistemas para identificar el funcionamiento de diferentes partes del cerebro –diagnóstico del Alzheimer no intrusivo, entre muchos otros.
            En el CERN ya están planeando la siguiente etapa al LHC. Se trata del Colisionador Lineal Compacto, que hará chocar a un electrón contra un positrón en un blanco de un nanómetro de tamaño, será de 22 kilómetros de largo, no requiere de tecnología de bajas temperaturas y el rango nominal de energías será de 3 TeV. El prototipo para demostrar el concepto es de 15 metros de largo y estará terminado en 2017, cuando se esperan su aprobación financiera. Se empezaría a construir en 2020, con tecnología aún no conocida, y empezará a funcionar en 2030. Están colaborando 20 países alrededor del mundo.
            En Morelos, debemos apropiarnos de esa mentalidad de innovar en ciencia, fundamento del CERN. ¿Qué macro-proyecto debemos emprender? ¿Sólo uno o dos más pequeños? ¿En biotecnología, energía, salud, física o química? Impulsemos también la innovación basada en ciencia.