Imposible de ver a simple vista, las partículas subatómicas son las unidades más pequeñas indivisibles que conforman a los átomos y prácticamente a toda la materia; sólo imaginarlas puede ser complicado si se considera que en un milímetro se pueden alinear hasta 10 millones de átomos, los cuales en agregaciones dan pie a las moléculas compuestas, que a su vez forman células, tejidos, órganos o materiales.

Pero si son invisibles al ojo humano, ¿cómo se pueden estudiar? La respuesta es la Física de Altas Energías o Física Cuántica; sin embargo, no sólo la teoría propone su existencia, hacen falta experimentos que comprueben y verifiquen su comportamiento. Aquí tienen razón de ser los detectores de partículas, capaces de tomar imágenes de estas pequeñísimas unidades.

Captar su paso, localización, rastrear e identificar a las partículas, además de medir su energía y convertir la información en señales (eléctricas) son algunas de las funciones de un detector, instrumentos que investigadores de la BUAP han podido desarrollar desde cero, como parte de su participación dentro del grupo mexicano de científicos del CERN, en Ginebra, Suiza.

Desde 2017, cuando la BUAP construyó un detector de partículas en su totalidad a partir de plástico centellador, la Universidad se convirtió en la primera institución en México en crear un instrumento de este tipo con tecnología desarrollada por universitarios, quienes con materiales de fácil adquisición contribuyeron en uno de los experimentos más complejos del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), en el CERN.

“Los empezamos a construir en la BUAP desde 2017, de hecho somos la única Universidad en México que los hace desde cero. Hay otros grupos que consiguen donaciones de detectores a partir de otros experimentos y los usan, pero aquí se construyen todos los componentes para formarlos”, aseguró Guillermo Tejeda Muñoz, investigador de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas (FCFM) y especialista en instrumentación y construcción de detectores.

El también miembro del grupo de Física Experimental de Altas Energías de la FCFM, explicó que al ser uno de los instrumentos más importantes del LHC, el detector de partículas necesita de otros sistemas para operar de forma óptima, entre estos la electrónica, es decir, los circuitos necesarios para extraer la señal de información que indica qué fue lo que se detectó o qué partícula fue vista. Esta tecnología que no es comercial tiene características muy específicas, como la rapidez o la tolerancia a la radiación, por eso debe diseñarse específicamente para estos detectores.

El grupo de Física Experimental de Altas Energías de la FCFM, destacado por su consolidación y participación en proyectos internacionales, lo integran los doctores Arturo Fernández Téllez (fundador), Guillermo Tejeda Muñoz, Mario Iván Martínez Hernández, Mario Rodríguez Cahuantzi e Irais Bautista Guzmán, además de estudiantes de licenciatura y posgrado.

Detectores con sello BUAP

Los detectores que se construyen en la BUAP tienen la peculiaridad de emplear materiales que no son difíciles de conseguir. Los primeros fueron hechos a base de plástico centellador, mientras que los más recientes se crean con placas de cámaras resistivas.

“Estos últimos son de tipo gaseoso y se utilizan básicamente para detectar partículas cargadas. Son relativamente de fácil construcción porque requieren de elementos muy usuales o de fácil acceso”, comentó el doctor Guillermo Tejeda.

Uno de los elementos principales en estos detectores es el vidrio común o convencional, lo que representa una ventaja, pues se pueden construir de forma más rápida y de cualquier tamaño ―en la BUAP se han hecho desde los 20 centímetros hasta los 1.20 metros―, con muy buenos resultados en los experimentos en los que se han utilizado, indicó el investigador.

En cuanto a la construcción y el ensamble esto tiene lugar en el Laboratorio ALICE, ubicado en el Ecocampus Valsequillo, donde hay diferentes áreas para el corte de vidrio, la aplicación de la pintura, impresión 3D, conexión de detectores, además de una zona de pruebas para verificar el funcionamiento que permita obtener los datos experimentales con los que se hará el análisis.

Cámaras de placas resistivas

Respecto a las cámaras de placas resistivas, estas se emplean en detectores gaseosos de rápida respuesta. Constan de superficies paralelas construidas con un material de alta resistividad y separadas por un volumen de gas. En el caso de los detectores de la BUAP, estos tienen tres capas de vidrio separadas por un espacio de un milímetro, que debe ser constante y homogéneo. Una vez terminado, el detector se sella y limpia para hacerle circular gas a través de unos conectores. Al principio se usa argón y después funciona con una mezcla de otros gases.

“Funcionan con un alto voltaje que se aplica por una película oscura que tienen en el interior, la cual es necesaria para crear diferencias de potencia muy grandes. Una de las complicaciones en la construcción de estos detectores es precisamente aplicar esta película porque debe tener principalmente resistividad eléctrica en la superficie. Nosotros hemos producido esta placa resistiva que no es fácil de obtener, no se compra, sino que se tiene que experimentar con diferentes tipos de pintura para lograrla, pero aquí hacemos todo, desde las piezas más pequeñitas, hasta lo más grande, todo para ir armando con precisión los detectores que sirven para los experimentos en el CERN”, explicó orgulloso el doctor Tejeda.

Cómo se capta la imagen

Una vez que el detector se ensambló se prueba cuando una partícula pasa por el área sensible, que es donde está la película oscura, entonces va a ionizar el aire; choca la partícula con una molécula del gas que está circulando y por la diferencia de potencial se crea una avalancha; es decir, de una interacción se crea una pequeña lluvia de electrones. A su vez, esa avalancha de electrones induce una corriente en la superficie donde se ponen electrodos y de esta forma se mide el curso de corriente producido por el paso de las partículas.

“Entonces, entre más partículas pasen, más señales vamos a ver. Estos detectores pueden tener una velocidad de detección de varios kilohertz por segundo por centímetro cuadrado, con una muy buena capacidad, lo mismo que su resolución temporal”, mencionó Guillermo Tejeda.

Otra característica importante del trabajo de este grupo es que no sólo construyen la instrumentación, también leen las señales, las procesan y obtienen datos y estadística con lo que después realizan análisis de la información.

Para el investigador, egresado de la FCFM, estar involucrados en experimentos de alto nivel les permite dilucidar cuáles son los problemas actuales de la Física de Altas Energías, un área donde la exigencia es constante en cuanto a uso de las últimas tecnologías.

“Esto nos permite actualizarnos porque de lo contrario no cumpliríamos con los requerimientos que exigen estos programas, por eso estamos a la vanguardia de la tecnología, desarrollando nuevos protocolos y formas de comunicación más rápidas y eficientes para garantizar mejor información en los detectores y así mejorar las velocidades y los canales para la adquisición de datos”.

Dado que la prioridad en el CERN es la explotación del LHC a su máximo potencial, la importancia de trabajar en la actualización de los instrumentos, como son los detectores, resulta una tarea crucial en la que los físicos y especialistas en electrónica de la BUAP participan de manera activa, pero sobre todo destacada.