1. Ciencia

Leonid Serkin
II. Instituto de Física, Universidad de Göttingen, Alemania
Doctorado en Física
[email protected]
CERN – la casa de nuevos conocimientos y tecnologías
Mesa Redonda: Planeta Inteligente
Resumen: El presente trabajo fue presentado dentro de la Mesa Redonda “Planeta Inteligente” en el
marco del III. Simposio de Becarios CONACyT en Europa que se llevó a cabo en la ciudad de
Estrasburgo en Francia del 6 al 8 de noviembre del año 2013. Primero daremos una introducción al uso
de los aceleradores de partículas elementales en la vida cotidiana y la participación en la innovación, la
creación de conocimiento y nuevas tecnologías por parte del Centro Europeo de Investigaciones
Nucleares (CERN). Discutiremos las mayores aportaciones a la ciencia y el desarrollo de la humanidad
del CERN, como son el invento y primer uso de la “World Wide Web”, así como la promoción por
parte de CERN de nuevas tecnologías que aportan a la solución de problemas globales conectados con
la obtención y el aprovechamiento de energía nuclear, así como el uso de la redes de computacionales
“GRID” en las ramas de la salud pública.
Introducción
¿Qué es un acelerador de partículas y de qué nos sirve la inversión de millones de euros (con la
participación de México por medio de proyectos internacionales) en su desarrollo, manutención y
modernización? ¿Cómo es posible que científicos, ingenieros y computólogos de más de 100 países
colaboren en conjunto dentro de lo que es el mayor centro de investigaciones nucleares y sub-nucleares
del mundo: el CERN [1]? ¿Qué tiene que ver el “tsunami” de datos que se produce en CERN cada
segundo debido a la recolección de información en choques de partículas elementales con el uso diario
por todos nosotros de sistemas de telecomunicaciones e Internet? ¿Cómo colabora CERN dentro del
proyecto iniciado hace un par de años por la compañía IBM llamado “Planeta Inteligente” para afrontar
los retos globales existentes [2]? ¿Y finalmente, cómo promover el desarrollo de las ramas de la física
nuclear, sub-nuclear y la física de aceleradores en México?
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Figura 1. El CERN: un icono en el desarrollo de la ciencia y tecnología.
Planeta Inteligente
El mundo avanza cada segundo. Un mundo mucho más instrumental, donde tenemos la capacidad de
medir, detectar y ver la condición exacta de todo lo que nos rodea, y documentar cualquier cambio o
alteración. Un mundo interconectado: vía telégrafo, teléfono, correo postal, y más recientemente con el
uso de e-mails y sistemas de comunicación masivos. Un mundo donde los sistemas y objetos pueden
comunicarse e interactuar con otros de formas completamente nuevas y creativas. Un mundo
inteligente, capaz de responder con rapidez y precisión a los cambios producidos por influencias
externas o por la influencia de nosotros mismos, mejorando los resultados mediante la predicción y
optimización de decisiones. ¿Pero cómo se entrelaza el desarrollo de la tecnología con la ciencia
básica, quien crea la oferta y quien la demanda del conocimiento y tecnologías que estarán en nuestras
manos en un futuro próximo?
CERN - el mayor laboratorio de investigación en física de partículas a nivel mundial
Cerca de Ginebra (Suiza) se encuentra el complejo de aceleradores, experimentos y detectores de
partículas, cuyo propósito va desde las mediciones en las ramas de astrofísica hasta la búsqueda de las
llamadas partículas “super-simétricas”. El Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN por
sus siglas en francés, ver Figura 1) – es un lugar único en el mundo, una catedral de ciencia, donde la
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Figura 2. El desarrollo de las comunicaciones: el tsunami de datos en la WWWeb.
ingeniería, la tecnología punta y la ciencia se mezclan en uno, creando el laboratorio de investigaciones
nucleares y sub-nucleares más reconocido a nivel mundial. El Gran Colisionador de Hadrones (en
inglés LHC) localizado en el CERN es el acelerador de partículas elementales más grande y energético
del mundo. El acelerador se encuentra a unos 100 metros de profundidad y tiene 27 kilómetros de
circunferencia; las partículas cargadas (los protones en el caso del LHC) son aceleradas usando campos
eléctricos, los campos magnéticos se usan para desviar las partículas a una trayectoria circular y se crea
un vacío perfecto a lo largo del camino para eliminar el “trafico” (las colisiones secundarias) con otras
partículas. Usando la enorme energía almacenada en las partículas aceleradas por el LHC (y recordando
que la energía se transforma en masa, E=mc2), al colisionar las partículas se crea un sinfín de otras
partículas elementales, las cuales se detectan con enormes detectores de partículas (como el detector
ATLAS con su impresionante longitud de 44 metros y un diámetro de 25 metros [3]).
Una muestra del estado globalizado de la ciencia: el LHC y los experimentos que se encuentran en él
han sido financiados y construidos por más de 200 universidades, laboratorios e institutos de
investigación de más de treinta países, y actualmente cuentan con más de 10 mil usuarios. El CERN ha
dado al mundo la reciente medición del “bosón de Higgs” (con dificultades similares a una búsqueda de
una aguja en un millón de pajares), así como un sinnúmero de patentes en las áreas de estado sólido,
computación, telecomunicaciones e ingeniería. Sin mencionar que la World Wide Web (WWW) fue
inventada en el CERN como una forma para la gestión de la información, y desde el año 1993 el
proyecto fue abierto al público en general, dando así el primer paso para la revolución de Internet [4].
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Figura 3. Noticias del CERN y el LHC en las primeras planas de revistas y páginas web.
La orientación del CERN hacia una política de “ciencia pública” aboga por el acceso libre a la
metodología, los datos y los resultados de la investigación; asimismo, se utilizan códigos abiertos en la
creación de software. El CERN, cuya misión clave es fomentar la colaboración con la industria y
ofrecer beneficios a la sociedad en general, ha adoptado un nuevo acercamiento a la Transferencia de
Conocimiento, una iniciativa para hacer más fácil a las empresas y emprendedores el acceso a la
propiedad industrial generada en la investigación que se desarrollan.
Debido a la gran cantidad de datos recolectados por los experimentos del LHC durante cada colisión,
el CERN se ha convertido en uno de los mayores centros informáticos del mundo, con varias granjas de
datos, desarrollando tecnologías de punta como análisis en la GRID y CLOUD (ver Figura 2) [5]. Sin
mencionar que se llevan a cabo más de 100 reuniones diarias dentro de las colaboraciones, con lo que
se manejan sistemas de videoconferencias e aplicaciones para organizar eventos, desde conferencias
sencillas hasta reuniones complejas, talleres y conferencias con sesiones y contribuciones [6].
Recientemente, el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica 2013 ha sido
otorgado a CERN “por la detección experimental del bosón de Higgs” y también fue mencionado al
galardonar al Dr. P. Higgs y el Dr. F. Englert con el premio Nobel de física del año 2013 (Fig. 3).
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Figura 4. El uso de los aceleradores en la vida cotidiana.
Aceleradores en la vida cotidiana
Pero hagámonos una pregunta: ¿y de qué nos sirven los aceleradores? El descubrimiento de los
“rayos X” en el año 1895 por Roentgen ha revolucionado el mundo, y desde entonces empezamos a
entender la radiación, controlarla y usarla mediante la aceleración de partículas para el bien de la
humanidad.
Un ejemplo inmediato es el uso de los rayos catódicos en los televisores y monitores empezando en
los años 1930, donde al calentar un filamento los electrones que se liberan del material se desvían por
los campos magnéticos y eléctricos hacia la pantalla fluorescente. Poco después, en los años 70 del
siglo pasado se empezó a usar la radiación producida por las partículas cargadas en la medicina. Así
nacieron la radioterapia y la física médica nuclear y empezaron los tratamientos de cáncer y otros usos
médicos de la radiación. Los aceleradores dieron un impulso impresionante en el entendimiento de la
física atómica y nuclear, dando a luz el uso de la energía nuclear y estudios de fisión de núcleos. Pero
además, los aceleradores se usan en la química, biología y cristalografía para el análisis de materiales
basados en el fenómeno de difracción de rayos X. Son instrumentos de precisión que permiten hacer
estudios específicos de composición, edad y estructura de la materia, tanto como para uso científico,
industrial o tecnológico, como de piezas de arte, arqueológicas y forenses (Figura 4).
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Figura 5. El posible uso del elemento químico torio ( 90 Th) como fuente de energía nuclear.
Además del desarrollo de la tecnología, seguridad radiológica y métodos computacionales, la física
de aceleradores lleva consigo lo más importante – el entender el funcionamiento de las leyes de la
naturaleza que nos rodean. Las colisiones de las partículas aceleradas por el LHC nos acercan a las
energías creadas durante el Big Bang (o la creación del Universo), y así nos permiten estudiar nuevos
fenómenos, encontrando patrones en las tablas de las partículas elementales que nos permitan construir
una teoría final de partículas y campos.
Afrontando los retos globales
El reciente accidente en Fukushima (Japón) ha creado un fuerte movimiento en contra del uso de la
energía nuclear. Dentro del marco de la iniciativa “Planeta Inteligente” propuesto por IBM, CERN ha
contribuido a la solución de este reto proponiendo la posibilidad del uso del elemento químico torio
( 90 Th) como fuente de energía nuclear de fisión (Figura 5). El torio es uno de los elementos más
energéticamente densos que se encuentran en la naturaleza, presente en cantidades abundantes en todos
los continentes en comparación con el uranio. El torio ofrece una eficiente fuente de energía a precios
accesibles, superior al uranio en términos de eficiencia energética, conservación de recursos naturales,
seguridad debido a bajos riesgos de explosión, reducción de emisiones y desechos nucleares. ¿Será la
futura solución sostenible al problema de la energía global [7]?
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Figura 6. La red EGEE y su uso para el intercambio de datos y conocimientos.
CERN encabeza el proyecto EGEE (“Enabling Grids for E-sciencE”), una red utilizada por la mayor
parte de la comunidad científica (desde las ciencias biomédicas hasta la astrofísica), y la
“MammoGrid” – una base de datos que permite intercambiar recursos en el análisis de mamografías
para mejorar el tratamiento del cáncer de mama y reducir los diagnósticos erróneos [8-9]. Abre una
posibilidad de cooperación eficaz entre los profesionales y doctores de la Unión Europea, proporciona
un mejor acceso a los datos, desarrollo de herramientas y comparación de resultados de las
mamografías, así como la extracción automática de información y asistencia para la detección de
opacidades y micro-calcificaciones.
Dentro de la iniciativa “Planeta Inteligente” también podemos mencionar el monitoreo del
funcionamiento de una infraestructura compleja en el CERN, ayudando a mejorar la seguridad y la
productividad, permitiendo estudios de tendencias de métricas para ayudar en la creación de
parámetros de funcionamiento optimizado, así como soluciones innovadoras en paneles solares,
tecnología de titanio electro-pulido y mejoras en revestimientos de película fina.
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Figura 7. El triángulo del avance científico-tecnológico y el desarrollo nacional.
Herramientas claves para el avance y el desarrollo de México
A fin de resaltar la importancia del área de la física sub-nuclear y los aceleradores de partículas en el
contexto del avance nacional, podemos enumerar algunas de sus características: (i) las investigaciones
se ubican en la frontera del conocimiento, (ii) los recursos humanos y financieros requeridos implican
un esfuerzo nacional de largo plazo, junto con el establecimiento de colaboraciones multinacionales y
(iii) los complejos instrumentos empleados no pueden adquirirse en el mercado y deben ser diseñados y
fabricados de manera específica, lo cual es un detonante para la creación de nuevas tecnologías. Ésta
última característica abre la puerta a empresas nacionales para su cooperación con científicos en la
construcción de equipos especializados. El subsiguiente derrame tecnológico fomenta la creación de
grupos de trabajo multidisciplinarios y de pequeñas empresas de alta tecnología que pueden alcanzar
proyección internacional.
La clave para el desarrollo de México es la educación básica, es la base de cualquier sociedad en la
cual se apoyan la investigación y la innovación mediante las colaboraciones nacionales e
internacionales entre las universidades y las empresas (Figura 7). Si consideramos que los aceleradores
y detectores de partículas, además de producir las colisiones y estudiar los componentes más
fundamentales de la naturaleza, como la existencia de un “campo de Higgs” que se extiende en el
Universo y da energía al vacío, también se utilizan en muchos otros campos de la ciencia y tecnología,
como Medicina, Física Atómica, Química, Biología e incluso, últimamente, en campos tan inesperados
como Ciencias Forenses, tomamos consciencia de la urgencia de desarrollar está área en México.
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Cabe señalar, que existe un antecedente en nuestro país donde el impacto social de un proyecto de
ciencia básica se manifestó de manera clara: se trata del mega-proyecto “High Energy Physics in
Mexico: Searching for new physics at the LHC-CERN”, el cual fue apoyado por el CONACyT/Banco
Mundial dentro de la Iniciativa Científica del Milenio [10].
Conclusiones
Hemos dado una corta introducción al mundo de aceleradores y hemos visto como CERN se ha
convertido en un ícono de creación y desarrollo de ciencia y tecnología al combinar los esfuerzos y el
financiamiento de varias decenas de países que participan en este proyecto global.
Ahora queda lo más importante: propugnar en México el desarrollo de la infraestructura científica de
primera línea y la cooperación científica multidisciplinaria en torno a problemas de frontera
relacionados con la producción y detección de partículas y radiación.
Agradecimientos
A los organizadores del III. Simposio de Becarios CONACyT en Europa, al CONACyT-DAAD y al
coordinador de la mesa redonda Sergio Elizondo. Al II. Instituto de Física de la Universidad de
Göttingen, en particular al Prof. Dr. A. Quadt. A Martha Cuadros por los invaluables comentarios.
Bibliografía
[1] CERN. http://home.web.cern.ch/
[2] Planeta Inteligente. http://www.ibm.com/smarterplanet/
[3] ATLAS. http://atlas.ch/
[4] El nacimiento de la WWWeb. http://home.web.cern.ch/about/birth-web
[5] GRID. http://wlcg.web.cern.ch/
[6] Conferencias Digitales Integradas. http://indico-software.org/
[7] Organización Internacional de Energía de Torio. http://www.itheo.org/
[8] Proyecto EGEE. http://egee-technical.web.cern.ch/egee-technical/
[9] MammoGrid. http://knowledgetransfer.web.cern.ch/technology-transfer/external-partners/mammogrid
[10] Redes temáticas de investigación del CONACyT. http://www.conacyt.gob.mx/RedesTematicas/
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