Un premio para el lado oscuro

El premio anual en física de la Fundación Breakthrough -uno de los más destacados de la ciencia mundial- quedó en manos del argentino Javier Tiffenberg en reconocimiento por su trabajo en la búsqueda de materia oscura a partir del desarrollo del detector SENSEI. Tiffenberg es investigador del Fermilab, en los Estados Unidos, y también lidera una colaboración en nuestro país.

Cerca del 85 por ciento del Universo está compuesto por una sustancia misteriosa, esquiva a la interacción con el resto de la materia y la energía. A diferencia de la materia ordinaria, la materia oscura ignora a las fuerzas nucleares y atómicas, no así a la fuerza gravitacional. Estas diferencias se evidencian en grandes criaturas como galaxias y cúmulos de galaxias donde se han medido los efectos gravitacionales de la huraña sustancia. ¿Pero qué sucede en la pequeña escala? ¿Cómo es posible atraparla si es que realmente no interactúa con partículas por medio de otras fuerzas?

«Nadie sabe qué es la materia oscura. Podemos decir con precisión cuánta hay y cómo está distribuida en el Universo, pero casi no tenemos información sobre qué la compone. La inmensa mayoría de las teorías asumen que la materia oscura puede describirse como una partícula en la escala microscópica. Entonces, si es una partícula, tiene que tener una masa, y cuanto menor sea esa masa, más difícil será detectarla», explica el físico Javier Tiffenberg desde la Ciudad de Buenos Aires, donde permanece desde que inició la pandemia. Tiffenberg tiene 41 años, se graduó como físico en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, donde también se doctoró, y continuó su carrera en uno de los centros de investigación en física de partículas más importantes del mundo: el Fermilab, en Chicago, Estados Unidos.

Hasta ahora, los físicos de partículas centraban la búsqueda sólo en un grupo de conjeturas posibles acerca de la naturaleza de la materia oscura. Junto a otros colegas del Fermilab, Tiffenberg ideó un detector extremadamente sensible que permite explorar una gran cantidad de posibilidades de materia oscura como nunca antes: «Gracias a los detectores que nosotros desarrollamos podemos ampliar la búsqueda hacia otras teorías igual de viables pero que resultaban imposibles de explorar o testear. También cabe la posibilidad de que no sea ninguna de las opciones que estamos explorando, pero al menos ahora podemos averiguarlo», aclara.

Acotados a teorías cuya presunción es que la materia oscura es liviana, intentan detectar interacciones de partículas. Para lograrlo, desarrollaron algo parecido a los sensores de las cámaras digitales. Buscan registrar acciones recíprocas entre la sustancia y los electrones en el cristal de silicio: «Cuando sacamos una foto en un lugar oscuro aparecen puntos más o menos brillantes. Eso no significa que haya más o menos luz en esa zona. Lo que vemos es ruido del sensor. En nuestros detectores no hay ruido de lectura, por lo que, si recibe un fotón, lo marca. Esto es un salto cuantitativo en lo que buscamos; en principio, si una partícula de materia oscura llega a interactuar con un electrón lo vamos a ver, sin dudas».

El desarrollo tecnológico de los detectores es lo que hizo que Javier Tiffenberg, Rouven Essig, Tomer Volansky y Tien-Tien Yu, recibieran, el pasado 10 de septiembre, el premio The New Horizons in Physics 2021 que otorga la Fundación Breakthrough a los logros iniciales y significativos en la carrera científica, y que consiste en un monto de 100 mil dólares. «Ya con estos pequeños prototipos tenemos los resultados más sensibles de búsqueda de materia oscura liviana que existen en el mundo», cuenta el físico, y puntualiza el éxito de los pequeños dispositivos de carga acoplada -conocidos como CCD- ya que son capaces de minimizar el ruido de lectura a cero.

Si una partícula de materia oscura choca con uno de los electrones del silicio, la energía transferida al electrón puede ser suficiente para liberarlo de la estructura cristalina del silicio. Los sensores Skipper-CCD pueden detectar esos electrones y tener un registro directo de las interacciones con la materia oscura.

A pesar de ser un prototipo, «el salto tecnológico del detector es tan grande que hemos obtenido mejores resultados que aquellos grandes experimentos funcionando desde hace años». Su grupo de trabajo obtuvo el financiamiento necesario para construir el experimento de búsqueda a gran escala, el cual seguirá llamándose SENSEI. Este tipo de sensores se utiliza, también, en astronomía, en imágenes cuánticas y en física de neutrinos.

La colaboración con Argentina

«Los lazos con Fermilab llevan muchos años, las colaboraciones han dado buenos resultados y se han producido contribuciones importantes», cuenta Tiffenberg, quien luego de su licenciatura y doctorado en temas de rayos cósmicos, partió al Laboratorio de Chicago con una beca posdoctoral. Ahora, pasa parte del tiempo en Argentina proyectando el nuevo laboratorio experimental en el Departamento de Física de Exactas UBA.

«Planeamos traer el equipamiento necesario para desarrollar proyectos de detectores de partículas; un sistema que permita el funcionamiento de varias estaciones, e incluso, crío refrigeradores para enfriar los detectores a 100º Kelvin; bombas de vacío, y la electrónica de lectura desarrollada específicamente para estos proyectos», detalla. Este tipo de experimentos detectan todas las partículas que interactúan con la materia, en particular fotones, electrones de alta energía y rayos cósmicos. Además, los investigadores planean desarrollar pequeños detectores de neutrinos que aún no existen.

La ceremonia de la entrega de los premios será en marzo de 2021, el joven físico argentino espera poder asistir: «Tal vez sea la única oportunidad que tenga de hacerlo». Tal como sucede con los galardones del cine y la televisión habrá una alfombra roja, flashes y discursos emotivos. La estrella será el físico Steven Weinberg, premio Nobel de 1979, que ha recibido tres millones de dólares de la Fundación Breakthrougth por el máximo reconocimiento que otorga año a año.

Publicado originalmente en NEX Ciencia

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