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Piensa en grande, hazlo pequeño | revista de simetría

octubre 26, 2018
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En marzo, un equipo de astrónomos hizo un anuncio impactante: parecían haber encontrado una galaxia con una grave falta de materia oscura. El hallazgo, publicado en Naturaleza, desafió algunos de los conocimientos más fundamentales de los astrónomos sobre la formación de galaxias.

Tal vez sea tan sorprendente como el resultado fue la tecnología detrás de él. Mientras que muchos descubrimientos astronómicos importantes se realizan gracias a colaboraciones de cientos o miles de personas con acceso a telescopios grandes y multimillonarios, un equipo de cinco personas observó la extraña galaxia utilizando un telescopio que dos científicos construyeron en su tiempo libre a partir de plataforma de lentes de cámara Canon.

El alcance, llamado Dragonfly, es solo un ejemplo de los proyectos a pequeña escala que están generando olas en campos como la astronomía y la física de partículas.

“Las agencias gubernamentales están en una posición única para poder llevar a cabo importantes experimentos importantes”, dice el científico de Fermilab, Aaron Chou. “Pero no debería ser un requisito que el experimento tenga que ser grande para ser interesante. El requisito debería ser, y es, que si la ciencia es interesante, debes seguir adelante y hacerlo “.

La comunidad de física de partículas lo reconoce cada vez más. En 2014, un grupo organizador llamado Panel de priorización del proyecto de física de partículas publicó sus objetivos para la física de partículas durante la próxima década, a menudo denominado informe P5. Una de sus nueve recomendaciones es “mantener un programa de proyectos en todas las escalas, desde los proyectos internacionales más grandes hasta proyectos de pequeña y mediana escala”, destacando los beneficios de los proyectos a pequeña escala, como exponer a los físicos a nuevas técnicas, permitiendo a los jóvenes científicos para dirigir proyectos y facilitar asociaciones entre universidades y laboratorios nacionales.

“Es bueno tener un rango de ley de poder que abarque pequeño, mediano y grande”, dice Kate Scholberg, un físico de neutrinos en la Universidad de Duke. “Creo que eso es lo más saludable para la comunidad”.

Ejecutando el espectáculo

Los experimentos pequeños son diferentes a sus contrapartes de la “gran ciencia” en más aspectos que el tamaño. Los grandes experimentos tienen sus propias burocracias, con grupos de trabajo, reuniones, cambios obligatorios y políticas de autoría. Cuanto menor es el experimento, menos se requiere.

El ritmo rápido y la cultura abierta de pequeños experimentos pueden hacer que sean ideales para estudiantes de posgrado. Los estudiantes que trabajan con grandes telescopios o aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones tienen la emoción de contribuir a un gran proyecto, pero solo experimentan una pequeña parte de él, como el análisis de una parte de los datos recopilados por otra persona. Las fases de los experimentos pueden durar más de los cinco años que lleva obtener un doctorado, lo que significa que un estudiante puede abandonar la escuela sin ver un proceso experimental de principio a fin.

Por el contrario, los estudiantes en experimentos más pequeños pueden contribuir activamente, o incluso supervisar, todo, desde la concepción y el diseño del hardware hasta la adquisición, análisis y publicación de datos en el curso de sus títulos.

Deborah Lokhorst, estudiante de posgrado de la Universidad de Toronto que trabaja con el co-creador de Dragonfly, Bob Abraham, lo ha experimentado de primera mano. Lokhorst ya ha desarrollado tanto software como instrumentación para el telescopio. Actualmente está trabajando en la instrumentación para sostener los filtros que se colocarán frente a las lentes, generalmente imposibles en los ámbitos más grandes, para obtener imágenes de gas que impregna el espacio entre las galaxias, conocido como el medio intergaláctico o la red cósmica. La nueva ubicación del filtro debería permitir imágenes más claras en una longitud de onda de luz más estrecha. Una vez que se produzca la tecnología de filtro, ella llevará el telescopio a Nuevo México para probarlo.

“Por ahora, realmente tenemos que tratarlo como un experimento de física, que es muy inusual en astronomía, para hacer un experimento”, dice Lokhorst. “Esto no ha sido probado hasta ahora”.

Por su parte, Chou ha trabajado en varios experimentos de ciencia pequeña, incluido el Holometer de Fermilab, una versión en miniatura de los interferómetros gemelos que hizo la primera detección pionera de las ondas gravitacionales. El Holometer buscó evidencia de la cuantificación del espacio-tiempo y pasó de la idea al resultado publicado en siete años. Los cuatro estudiantes de Chou en el proyecto tenían una gran demanda cuando se graduaron, dice, en parte porque tenían una gran experiencia en todos los aspectos de la física experimental.

Scholberg ha visto a los estudiantes pasar de colaboraciones grandes a pequeñas por esta razón. Ella sirvió como portavoz del experimento COHERENT, que estudia los neutrinos que rebotan en los núcleos atómicos. Se formó por primera vez en 2014, y para 2017 había construido su detector de 31 libras, el más pequeño jamás detectado con éxito para detectar un neutrino. Scholberg también trabaja en grandes experimentos de neutrinos, incluido el Experimento de Neutrinos Subterráneos Profundos, hospedado por Fermilab, una colaboración de más de 1000 físicos.

Los estudiantes de posgrado contribuyen a DUNE, en parte porque es una oportunidad única para ayudar a formar un gran experimento de décadas. Pero algunos también trabajan en otros experimentos como COHERENT para completar sus doctorados: las instituciones de EE. UU. Normalmente requieren que las tesis de doctorado se basen en datos experimentales, y los datos recopilados por los prototipos de DUNE no estarán disponibles hasta este otoño.

Eventualmente, el equipo de COHERENT espera escalar el proyecto. Pero comenzar en la escala más grande era demasiado costoso, y el equipo no pudo asegurar el financiamiento. Entonces crearon una versión pequeña en su lugar. “La estrategia fue: 'Comencemos con algo realmente pequeño y modesto y veamos si podemos hacerlo'”, dice Scholberg. “Esa, creo, fue en realidad la estrategia correcta”.

En ese espíritu, Chou y varios investigadores organizaron un taller el año pasado para reunir ideas para experimentos de materia oscura a pequeña escala, muchos de los cuales podrían servir como prototipos para futuros experimentos grandes que buscan tipos alternativos de materia oscura.

“No sabemos mucho sobre la materia oscura, así que tal vez sea algo muy diferente de lo que pensamos”, dice la física de la Universidad de Minnesota Priscilla Cushman, una de las organizadoras del taller. “Si ese es el caso, entonces estarán disponibles grandes regiones de espacio de parámetros inexplorados, y pequeños experimentos con nuevas ideas y tecnologías pueden tener un gran impacto al principio.

Los pequeños proyectos propuestos podrían servir simultáneamente como experimentos para sí mismos y como pruebas para nuevas tecnologías que podrían convertirse en los proyectos de “gran ciencia” del futuro. Y debido a que permiten la participación profunda de los científicos en cualquier etapa de su carrera, también ayudan a crear una cartera de físicos entusiastas bien entrenados que mantendrán el campo fuerte en las próximas décadas.

“[Dragonfly] realmente me abrió los ojos al hecho de que existen este tipo de proyectos, donde puedes construir tu propio telescopio desde la zona cero y luego hacer ciencia de vanguardia “, dice Lokhorst. “El simple hecho de saber que algo como esto realmente funcionó me inspiró a tratar de pensar de manera innovadora en el futuro, a explorar y pensar formas de imaginar cosas que las personas no habían visto antes”.