¿Estás interesado en estudiar Física? Te esperamos para apoyarte en el proceso y responder tus dudas en nuestros stands en la Semana Orientación al Postulante UC 2020. La feria se realizará los días 25, 26 y 27 de febrero entre las 09:00 y las 15:00 horas, en el Centro de Extensión ubicado en Av. Libertador Bernardo O'Higgins 390 Santiago.
Luego de varios años de trabajo colaborativo, los Laboratorios de Altas Energías de la Pontificia Universidad Católica de Chile y de la Universidad Técnica Federico Santa María (UFSM) lograron con éxito cumplir el primer hito del Upgrade 2020 del Detector de Muones del experimento ATLAS, en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que busca mejorar las características de los detectores de partículas actuales. De forma colaborativa, los grupos chilenos terminaron la construcción de 16 piezas que serán ensambladas en la primera rueda de la "Small Wheel", uno de los detectores del experimento diseñado para identificar el paso de partículas de muones y su trayectoria.
Chile es el único país latinoamericano que participa de la construcción de piezas del acelerador circular, lo que avala el alto estándar de calidad que puede alcanzar la ciencia e ingeniería nacional y su impacto en el desarrollo de la Física de frontera. El aporte del equipo de Físicos e Ingenieros chilenos complementa la producción de otras piezas para la "Small Wheel" realizadas en laboratorios de China, Israel, Rusia y Canadá.
¿Qué es el LHC y cuál ha sido su impacto?
El LHC es un acelerador circular de partículas construido en las instalaciones de la Organización Europea para la Investigación Nuclear, (CERN), en Ginebra. Este está construido en un túnel bajo tierra y tiene 32 km de largo. En su interior es posible colisionar protones y otras partículas a velocidades tan altas, que, por un instante, recrean el origen de la materia.
Este proyecto de colaboración internacional ha permitido afinar y mejorar el Modelo Estándar de la Física de Partículas, que busca describir los bloques fundamentales con los que está hecha la naturaleza (materia) y sus interacciones (fuerzas). Actualmente, se postula que la materia está formada a partir de dos tipos de partículas: quarks y leptones y de las interacciones entre ellas, llamadas bosones de Gauge. La unión en distintas proporciones de estas partículas puede originar todo lo que existe en el Universo.
Gracias al LHC fue posible en 2012 comprobar la existencia del Bosón de Higgs, un tipo de interacción que es responsable del origen de la masa de las partículas elementales. Su hallazgo fue premiado con el Premio Nobel de Física.
¿Qué es ATLAS?
ATLAS es uno de los experimentos instalados dentro del LHC. Este está compuesto por una especie de cilindro acostado en el eje del acelerador LHC en cuyo centro colisionan las partículas. El experimento es capaz de identificar por donde pasaron las partículas (momentum) gracias a detectores de trazas y con qué energía lo hicieron, medido con calorímetros. En la parte exterior del cilindro, tanto en las tapas como el manto, se encuentran los detectores de muones, partícula clave de la familia de los leptones en la que decae (o se transforma) un Boson de Higgs, luego de unos instantes de existencia.
"El detector ATLAS es un experimento multipropósito. No se está buscando algo en concreto, sino que se observa la colisión de partículas para hacer hallazgos que permitan mejorar el Modelo Estándar de la Física de Partículas. Sabemos que el modelo no está listo, que hay información que nos falta descubrir, aunque no sabemos con certeza cuál es, ni cómo encontrarla. En este contexto, nuestra participación en el Upgrade 2020 del experimento es una responsabilidad enorme y un desafío de alto impacto, ya que estamos construyendo partes claves en la detección de muones y otras partículas ", explica Marco Aurelio Díaz, Director del Laboratorio de Altas Energías UC.
¿Cómo funcionan los detectores "Made in Chile"?
Los detectores son piezas trapezoidales con bases de 750 y 350mm, una altura de 1350mm y el espesor de cada cámara es de tan solo 5,6mm. Cada uno de ellos está fabricado a partir de dos placas conductoras que son enlazadas con alambres en la UFSM. Luego, estas son transportadas al Laboratorio de Altas Energías de la UC, donde se aplica una diferencia de potencial de 3000 volts y se completa el espacio intermedio entre las placas con un gas que combina Co2 con Pentano.
Los muones son partículas de gran masa, por lo que son capaces de cruzar las placas del detector, y ionisar el gas interior. Entonces, los electrones que se producen por esa ionización se van al terminal positivo y los iones se van al negativo, y se forma una pequeñísima corriente que es amplificada y procesada por electrónica, detectando la presencia de la partícula fundamental.
La eficiencia de los detectores desarrollados en el laboratorio son probados en el exterior, midiendo los muones que llegan a la superficie de la Tierra en los rayos cósmicos. Una vez aprobados, estos detectores son enviados al CERN, donde recientemente se ensamblaron en la primera etapa de la Small Wheel. Durante 2020 desde Chile se enviarán las 16 piezas faltantes, además de algunos repuestos, para terminar en proceso de mejora del experimento. En la Universidad Católica el Proyecto fue coordinado originalmente por el Dr. Sebastián Olivares y actualmente lo hace la nueva profesora de la Facultad de Física, Francisca Garay.
"La experiencia de colaborar con CERN desde Chile ha impactado en nuestra Física e Ingeniería nacional. Se ha logrado un entrenamiento de capital humano importante tanto en el análisis de los datos como en la construcción del hardware. Y si miramos a mediano plazo, la Física chilena será parte de los futuros descubrimientos que se hagan en el LHC, que sin duda permitirán mejorar la comprensión que tenemos sobre el Universo, su origen y composición", concluye el investigador.
¿Cómo aplicar los conocimientos adquiridos en el Magíster de Física Médica para impactar en la calidad del tratamiento en radioterapia de personas con cáncer? ¿Es posible crear herramientas para tener profesionales mejor capacitados a la hora de decidir un tratamiento? Estas eran algunas de las preguntas que movieron a Eduardo Cisternas, egresado del pregrado y del Magíster de Física Médica de la Facultad de Física UC, a crear MatRad, un software de código abierto capaz de planificar un tratamiento para pacientes con cáncer de forma óptima. El impacto de su investigación fue rescatado por MIT, se incluyó a Eduardo entre los 100 jóvenes innovadores del año 2019, y reconoció su trayectoria científica en una ceremonia realizada el 30 de enero en Ciudad de México.
Si bien los aceleradores lineales, equipos clínicos con los que se irradia a los pacientes de cáncer, incluyen softwares de planificación con los que se determina la dosis y la frecuencia del tratamiento de radioterapia, los alumnos de Física Médica de los países en vías de desarrollo muchas veces no tienen acceso a estas herramientas para capacitarse. Por razones de seguridad médica, los planificadores de estos equipos son softwares cerrados, en los que el usuario no puede modificar nada, y sus licencias son extremadamente costosas, por lo que no es fácil para estos profesionales hacer investigación en esta área o entrenarse en el uso de estos equipos críticos. "Si tú tienes una idea y quieres comprobarla o implementar una nueva técnica, no tienes dónde ni cómo testearla. Es por esto que, durante mi tesis del Magíster de Física Médica, con mis profesores guías del Instituto de Física UC y del Centro Alemán de Investigación contra el Cáncer en Heidelberg decidimos crear MatRad, un programa de código abierto, que cualquier persona puede manipular para tener un primer acercamiento a un sistema de planificación de terapia real, que integra conceptos de radiobiología para ofrecer el tratamiento menos dañino. Con él, un estudiante de Física Médica puede ver qué pasa con un tumor si cambia la energía, o los ángulos de tratamientos, constatando la efectividad de cada decisión según los parámetros que le entrega al sistema. Por ejemplo, si estás tratando un tumor cerca de la espina dorsal, debes ser capaz de entregarle la cantidad máxima de dosis, fraccionada en la cantidad de tiempo óptimo para que este sea eliminado, pero sin pasar los límites, ya que podrías dejar a la persona inválida. Yo no inventé la rueda, lo que hice fue estudiar el trabajo de muchos científicos, entender lo que hicieron, y juntar todos estos hallazgos para programarlos en un mismo software abierto para todo el mundo", explica Eduardo.
Las proyecciones muestran que el cáncer es una enfermedad en crecimiento, producto del aumento de la esperanza de vida y factores de riesgo propios del mundo occidental, como las altas tasas de sedentarismo o la mala alimentación. En este contexto, toda innovación en el abordaje del cáncer tiene un alto impacto social y puede cambiar la vida de un paciente y su familia. Consciente de ello, siendo un estudiante de la Licenciatura en Física, Eduardo cursó un electivo de Introducción a la Física Médica, que marcó su rumbo profesional. Tras graduarse, obtuvo el apoyo de la Beca San Andrés del College UC y una Beca de la Facultad de Física. Ambas le permitieron iniciar su Magister e ir desarrollando un camino apasionante. "La formación integral que recibí como estudiante de Física fue excelente. Tuvo un componente matemático muy fuerte, y eso te ayuda a ver los problemas de forma distinta, te modela la forma de pensar, y adquieres una estructura muy útil en todo ámbito de la vida. Gracias a las competencias de programación, cuando entré al Magíster pude trabajar en distintas áreas, desde la Anatomía, la Biología, y obvio, la Física, para aplicarlas en el desarrollo de nuevas tecnologías y tratamientos para los pacientes", afirma el investigador.
Para terminar el programa de postgrado, Eduardo viajó para desarrollar su tesis en el Centro Alemán de Investigación contra el Cáncer: "Cuando llegué a Alemania fue impresionante ver cómo una cantidad enorme de científicos está trabajando para resolver temas relevantes en la salud humana. Desde Chile me era difícil darme cuenta de que se puede vivir de la ciencia, y que es posible hacer investigación de alto impacto, pero la experiencia en este país me marcó, y me di cuenta que tenía que "echarle para adelante", porque se podía vivir de hacer investigación con sentido".
En radioterapia existen distintos tipos de técnicas, que dependen de qué partículas se utilizan según las máquinas a las que se tienen acceso. En la mayoría de los países en vías de desarrollo, como es el caso de Chile, el tratamiento se hace en base a fotones. Sin embargo, en USA, Japón y algunos países de Europa se está innovando con opciones más precisas en base a protones o iones pesados. MatRad ha logrado utilizar un mismo código, para hacer planificaciones con los tres tipos de partículas, por lo que se puede hacer investigación usando todo el potencial del conocimiento de frontera y la vanguardia tecnológica. Esta característica hizo que fuera reconocido por la comunidad científica internacional. Luego de un desarrollo de 6 meses, Eduardo entregó su tesis, y mandó los resultados al Congreso Internacional de Física Médica en Canadá, el año 2015. Este paper quedó segundo lugar en el concurso de "Investigador Joven". Esta plataforma le dio difusión a MatRad, y actualmente más de 29 grupos de investigación de distintas Universidades del mundo, así como Centros de Cáncer están utilizando el programa. Al ser de código abierto cualquier persona puede hacer contribuciones, crear nuevos módulos, enriqueciendo software. Se ha logrado crea una comunidad, y una colaboración en su mejora continua.
Tras su paso por Alemania, Eduardo partió a la Universidad Duke, donde se encuentra actualmente haciendo su Doctorado en Física Médica gracias a la Beca Fulbright. Su nuevo desafío es ambicioso, altruista, e innovador: incorporar inteligencia artificial a MatRad, integrando redes neurales para poder automatizar la planificación, de modo que el programa pueda tomar decisiones por si solo y hacer propuestas de tratamientos óptimos al profesional. El sueño es crear una central en la cual los Doctores de lugares con pocos Físicos Médicos, como en los países africanos o centroamericanos, por ejemplo, puedan mandar la información de sus pacientes al software vía internet, y que este haga una planificación del tratamiento óptimo de manera automática y la envíe de vuelta al profesional de la salud, disminuyendo los costos de la radioterapia, impactando en la vida de poblaciones con menos recursos.
El Académico Donovan Díaz participó en la investigación y redacción del capítulo relacionado con estudios de absorción de hidrógeno en nanotubos de carbono, para el libro científico titulado: “Nanostructured Materials for Energy Related Applications (Materiales Nanoestructurados para aplicaciones relacionadas con energía), generado a partir del trabajo y colaboración con otros investigadores nacionales e internacionales, y editado en 2019 por Springer Nature Switzerland AG.
Actualmente, existen principios básicos que demuestran que el hidrógeno es un vector energético para obtener energías más limpias que las provenientes de los combustibles fósiles. Este elemento es el más abundante del universo, pero está en compuestos químicos, minerales o aleaciones. El desafío tecnológico para basar una economía en el uso de hidrógeno es separarlo, extraerlo, almacenarlo y transportarlo, de forma segura y económica. Solo así logrará competir en el cambio de paradigma de la matriz energética actual, basada en el uso de combustibles fósiles como petróleo, carbón, o gas natural.
En la investigación participó un grupo de estudiantes del Laboratorio del Profesor Díaz, destacando la participación del alumno de Doctorado en Física Martín Roble, colaborando en la realización de pruebas para medir la capacidad y cinética de absorción de hidrógeno en nanotubos de carbono (estructuras nanométricas compuestas por láminas enrolladas de grafeno, de una o más capas) de distintas características morfológicas, estructurales, y de cristalinidad con el fin de evaluar el potencial de este tipo de material para el almacenamiento del hidrógeno.
Profesor Donovan Díaz
"Probamos nanotubos de distintas características, producidos de diferentes formas, en especial, preparaciones baratas y amigables con el medio ambiente, donde medimos con técnicas microgravimétricas cuál era su capacidad, cinética y desempeño, en los procesos de carga y descarga del gas de hidrógeno. Si bien con los materiales que trabajamos aún existe una brecha para maximizar aún más su capacidad, demostramos que los nanotubos de carbono que trabajamos en esta investigación tienen un muy buen desempeño, mejor de lo que se ha reportado en publicaciones científicas actuales, abriendo así la posibilidad de ser alternativas para el uso como almacenadores de hidrógeno", explica el investigador.
¿Es posible unir la Física Teórica con la Física Experimental para crear el conocimiento básico para la próxima generación de nanodispositivos opto-electrónicos? Este es el desafío que motivó al profesor del Instituto de Física UC, Enrique Muñoz, a convocar a un grupo de destacados académicos de diferentes Universidades en torno al proyecto Anillo for Light-Matter Interactions in Topological Nanomaterials.
A través de esta iniciativa, se investigará la respuesta de materiales bidimensionales y topológicos, al interactuar con emisores de luz con resolución a escala de fotones individuales. Los materiales bidimensionales están constituidos por monocapas atómicas, como el grafeno en particular, donde los portadores de carga se desplazan como partículas cuasi-relativistas a 1/300 de la velocidad de la luz, lo cual determina su extraordinaria conductividad eléctrica. Por otro lado, los aislantes topológicos, si bien son materiales cristalinos tridimensionales, se comportan como aislantes en su interior, pero conducen electricidad en su superficie. Más notable aún en ellos es la propiedad llamada “quiralidad”, que obliga a los electrones a mantener su momento magnético propio (spin) orientado en una dirección correlacionada con la velocidad con que se desplazan. Esto último abre nuevas posibilidades para transmitir información, que puede ser leída ópticamente, mediante centros de color en diamante u otros materiales, que poseen la sensitividad para detectar el campo magnético debido al spin de un electrón individual, emitiendo fotones a frecuencias bien determinadas.
Los resultados de esta investigación contribuirán a sentar las bases para futuros dispositivos de nanofotónica, capaces de almacenar y transferir información de manera más eficiente gracias a la interacción del material con la luz, a escala nanométrica. Esto permite el desarrollo de nuevos sensores y arquitecturas computacionales, con posibles alcances también, en computación cuántica.
"Una de las debilidades de las iniciativas de investigación chilena es que tienden a segregar los temas teóricos de los experimentales y estas áreas de la Física no interactúan. Nuestra propuesta es innovadora no sólo en su temática, sino también, porque integra ambos campos con el objetivo de ampliar las fronteras del conocimiento en esta línea emergente de interacciones entre luz y nanomateriales. Esto es posible solamente si colaboramos codo a codo desde la Física de Materia Condensada, la Ciencia de Materiales, y la Óptica Cuántica, además de integrar la expertiz de nuestro panel internacional de colaboradores Senior. El compartir ideas y visiones, generará un grupo líder en el área en América Latina, con miras a realizar publicaciones de impacto a nivel mundial", explica el profesor Enrique Muñoz, Director del Proyecto.
Gracias a las redes internacionales de primer nivel del grupo de investigadores que componen el Proyecto Anillo, se fomentará la formación permanente de recursos humanos en nanotecnología, con lo cual los jóvenes científicos (estudiantes y Post-Docs) se beneficiarán de la exposición a técnicas experimentales y métodos teóricos de frontera, sembrando las bases del primer grupo teórico-experimental especializado en esta disciplina en Chile.
El proyecto se extenderá por 3 años, y en él participan los profesores del Instituto de Física Jerónimo Maze, Loïk Gence, y Rodrigo Soto Garrido, además de Carolina Parra de la Universidad Técnica Federico Santa María, y Francisco Muñoz de la Universidad de Chile.
El Dr. en Física Rodrigo Soto se integró recientemente al grupo de Física de la Materia Condensada de la UC. Inicialmente, el investigador se formó como Ingeniero Civil en la Universidad Técnica Federico Santa María. "Como ingeniero era capaz de aplicar herramientas muy prácticas y obtener resultados, pero lo que me apasionó que la física es que me permitía entender cómo funcionaban esas herramientas y cuáles eran sus mecanismos, por eso di un giro, realicé el Magister y luego me fui a hacer el Doctorado en Física en la Universidad de Illinois", explica el académico.
El trabajo de Rodrigo Soto se ha centrado sistemas electrónicos altamente correlacionados en Materia Condensada, particularmente, ligado al fenómeno de superconductividad no convencional a altas temperaturas. Esta es la condición en la que ciertos materiales logran transmitir electricidad sin disipar energía.
Los metales tradicionales se convierten en superconductores a temperaturas alrededor de los -270ºC, una temperatura difícil de conseguir de forma experimental. Sin embargo, en la década de los 80 se logró sintetizar nuevos materiales que desarrollaban la superconductividad a temperaturas del orden de -190ºC, las cuales se logran enfriando los materiales con nitrógeno líquido (que es 30 veces más económico que el helio líquido usado para llegar a -270ºC). Al ser temperaturas más accesibles, muchos grupos de investigación alrededor del mundo se sumaron al estudio de estos nuevos superconductores.
Los nuevos materiales superconductores tienen distintas propiedades llamativas, sin embargo, no se ha podido encontrar una teoría que explique satisfactoriamente porqué son capaces de transmitir energía a esas temperaturas sin disiparla. "Yo estudio modelos simplificados de sistemas que ocurren en la vida real, y hago cálculos teóricos que se pueden comparar cualitativamente con evidencia experimental”. Por ejemplo, es interesante entender cómo se comportan estos materiales antes de convertirse en superconductores, ya que podrían existir en esta fase algunas “pistas” del mecanismo que los lleva a ser superconductores a bajas temperaturas. El desafío de esto es que como los materiales son sistemas fuertemente correlacionados, muchas de las técnicas y herramientas ocupadas tradicionalmente en materia condensada son difíciles de implementar, por lo que recurrimos a métodos usados en otras áreas, como la física de altas energías y la teoría de cuerdas para que nos permitan, aunque sea de manera cualitativa, estudiar dichos sistemas. Debido al alto impacto tecnológico de estos materiales, un mejor entendimiento macroscópico de ellos puede conducir a descubrir nuevas clases de superconductores y nuevas aplicaciones de alto impacto en la sociedad y el planeta", explica el investigador.
Otro fenómeno interesante estudiado por el académico es que en algunos materiales hay evidencia que el estado superconductor no es uniforme, lo que contrasta con los metales comunes, por lo que es un desafío entender cómo funciona esa heterogeneidad, y si es relevante en su capacidad de superconducción. En particular, Rodrigo ha estudiado las señales que producirían los Modos de Higgs (similar al Bosón de Higgs en altas energías) del estado superconductor no uniforme en experimentos de espectroscopía.
Las investigaciones básicas de este nuevo profesor del Instituto de Física pueden ayudar a sentar las bases de múltiples aplicaciones potenciales que permitan usar la energía de forma más eficiente, ya que, por ejemplo, cerca del 10% de esta se pierde solamente en el proceso de transmisión hacia los consumidores. La meta de los investigadores a nivel mundial es construir el conocimiento necesario y nuevos métodos para sintetizar materiales superconductores a temperatura ambiente, lo que revolucionaría a todo tipo de desarrollos tecnológicos, y permitiría construir desde centrales eléctricas y líneas de transmisión a dispositivos electrónicos más eficientes.
Página 38 de 68
