El acelerador de partículas del Laboratorio Abierto de Física Nuclear (LAFN), instalado en un edificio de nueve pisos construido especialmente para albergarlo en el Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP), fue inaugurado con bombos y platillos en enero de 1972. Los científicos se vistieron de traje y corbata para mostrarles a las autoridades las nuevas instalaciones. La fanfarria de la Policía Militar recibió a los invitados en la entrada del edificio tocando la marcha “Adelante, Brasil” [Pra frente, Brasil, según su nombre original en portugués], que alentó a la selección brasileña de fútbol en la Copa Mundial de 1970 y posteriormente fuera adoptada por la propaganda del régimen militar.
El Pelletron, nombre con el que se bautizó al acelerador, fue visto como un pasaporte al futuro, una herramienta que pondría a la ciencia brasileña a las puertas de la frontera del conocimiento en un área que parecía ser esencial para el desarrollo tecnológico del país. Dentro de su torre de cemento, donde aún sigue en pie incluso después de la entrada en funcionamiento de instrumentos más grandes y modernos, formó a generaciones de investigadores.
Gurgel, I. Y Munhoz, M. G.et al. (Org.). 50º Aniversario del Acelerador de Partículas Pelletron: Voces de una Historia. 2022En construcción, la torre de hormigón armado, con una altura de ocho pisosGurgel, I. Y Munhoz, M. G.et al. (Org.). 50º Aniversario del Acelerador de Partículas Pelletron: Voces de una Historia. 2022
Al cabo de más de medio siglo, los físicos de la USP buscan colaboraciones para modernizarlo y mantenerlo en condiciones operativas. Los dispositivos de este tipo suelen ser desmantelados cuando se tornan obsoletos o el alto costo de su operación supera los beneficios obtenidos por los científicos. El acelerador Tevatron, que hizo posible el descubrimiento de la partícula atómica conocida como cuark cima, fue inaugurado en Estados Unidos en 1983 y desactivado en 2011, algo más de 15 años después de la identificación del cuark cima. Era mucho más grande que el Pelletron, pero los estadounidenses llegaron a la conclusión de que no valía la pena costear su mantenimiento y decidieron apostar por equipos más potentes.
El Pelletron es un acelerador electrostático, donde grandes cantidades de energía generan un campo eléctrico poderoso, capaz de acelerar el desplazamiento de los átomos ionizados (eléctricamente cargados) hasta aproximadamente un 20 % de la velocidad de la luz. El dispositivo propicia colisiones de núcleos atómicos, que revelan nuevos detalles sobre la estructura de las partículas y las interacciones que se producen entre ellas.
El acelerador ha hecho posible investigaciones de diversa índole. En el campo de la física básica, los científicos estudian el comportamiento inestable de los llamados núcleos exóticos, que poseen más protones o neutrones que los núcleos estables de un mismo elemento químico. El sistema Ribras (acrónimo de Haces de Iones Radiactivos en Brasil), uno de los conectados al Pelletron e instalado en 2004, tiene por objeto estos estudios.
Un sistema más reciente, que entró en funcionamiento en 2016, permite analizar los efectos causados por la radiación en los dispositivos electrónicos. En los últimos años, se lo ha utilizado para mejorar los circuitos diseñados para los satélites brasileños, en el marco del proyecto denominado “Circuitos Integrados Tolerantes a la Radiación” (Citar), del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación.
Hay otros cuatro aceleradores de la misma familia en funcionamiento en la USP y en otras universidades brasileñas, pero son de mucho menor porte y, en general, se los utiliza para el análisis de materiales. Capaz de alcanzar una tensión eléctrica equivalente a 8 millones de voltios, el Pelletron del LAFN es el único de su tamaño en el país y uno de los más grandes en funcionamiento en el hemisferio sur. En Argentina hay una máquina capaz de generar una tensión de 20 millones de voltios, pero los altos costos de operación impiden su funcionamiento a pleno.
Gurgel, I. Y Munhoz, M. G.et al. (Org.). 50º Aniversario del Acelerador de Partículas Pelletron: Voces de una Historia. 2022El espacio para el tanque del acelerador, de tres plantasGurgel, I. Y Munhoz, M. G.et al. (Org.). 50º Aniversario del Acelerador de Partículas Pelletron: Voces de una Historia. 2022
“El Pelletron sigue siendo estratégico para el país”, dice el físico Leandro Gasques, quien asumió este año la dirección del laboratorio, “Formamos recursos humanos, utilizamos tecnología de punta en los sistemas acoplados al acelerador y somos bastante competitivos, tal como lo demuestran los resultados que hemos publicado en prestigiosas revistas científicas internacionales”. El acelerador de la USP ha contribuido a la formación de 108 magísteres y 75 doctores desde 1975. En los últimos años, sus investigadores han publicado un promedio de 8 artículos científicos por año con los resultados obtenidos en el Pelletron.
“Todavía sigue siendo útil para investigar problemas interesantes de física básica, pese a que muchos investigadores han migrado al área de los grandes aceleradores e investigaciones más aplicadas”, dice el físico Marcelo Munhoz, de la USP, uno de los organizadores del libro intitulado 50 anos do acelerador de partículas Pelletron: Vozes de uma história [50 años del acelerador de partículas Pelletron: voces de una historia] (Instituto de Física de la USP, 2022).
El precio del pionerismo
La adquisición del equipo fue fruto de una iniciativa del físico Oscar Sala (1922-2010), docente del IF-USP, director científico (1969-1975) y presidente del Consejo Superior de la FAPESP (1985-1995). Había sido enviado a Estados Unidos para estudiar el tema al finalizar la Segunda Guerra Mundial (1939-1945) y, a su regreso, diseñó el primer acelerador electrostático que se construyó en Brasil, que fue instalado en la USP en la década de 1950, un proyecto que contó con la participación de la industria nacional y fondos aportados por la Fundación Rockefeller. En los años 1960, Sala llegó a la conclusión de que había quedado obsoleto y era necesario buscar un sustituto.
La oportunidad se presentó en 1965, cuando un grupo dirigido por el físico estadounidense Raymond Herb (1908-1996), quien había ayudado a Sala a diseñar el primer aparato, fundó una empresa en Estados Unidos para desarrollar un nuevo tipo de acelerador: National Electrostatic Corporation (NEC). Su principal innovación era el medio que empleaba para transportar la carga eléctrica dentro del dispositivo, una cadena hecha de pequeños pellets metálicos, conectados a piezas de material plástico. De ahí surgió el nombre de la máquina, Pelletron, una marca registrada por NEC.
Gurgel, I. Y Munhoz, M. G.et al. (Org.). 50º Aniversario del Acelerador de Partículas Pelletron: Voces de una Historia. 2022Oscar Sala, el ideólogo del PelletronGurgel, I. Y Munhoz, M. G.et al. (Org.). 50º Aniversario del Acelerador de Partículas Pelletron: Voces de una Historia. 2022
El nuevo acelerador prometía una mayor eficiencia con menor costo de mantenimiento que sus competidores, pero era un producto nuevo cuyo rendimiento aún no había sido puesto a prueba. Sala convenció a la USP y al gobierno federal de apostar por el Pelletron para no correr el riesgo de quedar rezagados en la carrera tecnológica. El Banco Nacional de Desarrollo Económico (BNDE) aportó el equivalente a 18 millones de dólares a valores actualizados por la inflación para la adquisición del equipo.
El Pelletron importado por Brasil fue el primero vendido por NEC, que posteriormente adoptó algunos cambios introducidos en el de São Paulo que dieron mejor resultado que la configuración original. Para el equipo de la USP, ser pionero tuvo un costo. “Era como un apartamento comprado en el pozo, sin piso, ni iluminación ni armarios”, compara el físico Ivã Gurgel, coordinador de la colección histórica del IF-USP y coorganizador de la recopilación de entrevistas sobre la historia del acelerador. Hubo que desarrollar una fuente de iones para la inyección de las partículas atómicas en la máquina, dispositivos para distribuirlas entre el instrumental acoplado en el otro extremo, y sistemas para el acopio, procesamiento y análisis de los datos de los experimentos en computadoras.
La fuente de iones está instalada en el octavo piso del edificio alberga el acelerador. El haz de iones formado por el material introducido en el dispositivo es atraído hacia el tubo acelerador, en el interior de un tanque que ocupa el espacio de tres plantas de la construcción. Para impedir fugas radiactivas, se diseñaron puertas de hormigón armado revestidas de acero. Desde allí, las partículas aceleradas son guiadas por electroimanes y otros dispositivos hacia los sistemas acoplados a la salida del equipo, en el sector experimental ubicado en el subsuelo.
Desde un principio, Sala y su equipo optaron por desarrollar tecnologías propias en la universidad. El grupo disponía de una computadora IBM de gran porte y la empresa llegó a ofrecerles una más moderna con los sistemas de detección de datos listos para usar, pero la oferta fue rechazada. “Si adquiríamos una unidad tan sofisticada como esa sin tener experiencia, en la primera oportunidad que se descompusiera estaríamos perdidos”, comentó Sala en declaraciones vertidas en 1977 al Centro de Investigación y Documentación de Historia Contemporánea de Brasil (CPDOC), de la Fundación Getulio Vargas (FGV).
Gurgel, I. Y Munhoz, M. G.et al. (Org.). 50º Aniversario del Acelerador de Partículas Pelletron: Voces de una Historia. 2022Instalación del tanque del acelerador, a principios de los años 1970Gurgel, I. Y Munhoz, M. G.et al. (Org.). 50º Aniversario del Acelerador de Partículas Pelletron: Voces de una Historia. 2022
Como afirma la economista Tharsila Reis de Medeiros en su tesis doctoral, defendida en el Instituto de Geociencias de la Universidad de Campinas (Unicamp) en 2012, optar por el desarrollo local de los sistemas dio buenos resultados durante algún tiempo, pero esto fue puesto en jaque con la aparición de las microcomputadoras y otros avances que dejaron rezagado a Brasil en el terreno de la informática.
Varios de los dispositivos del Pelletron han sido actualizados en los últimos años, pero la ausencia de un flujo continuo de fondos para su mantenimiento y modernización hizo que las reformas llegaran con retraso y ello obligó a los científicos a dedicar gran parte de su tiempo a la solución de problemas técnicos. “Aquí, todo el mundo tiene que arremangarse y luchar por los datos”, dice el físico Valdir Scarduelli, recientemente contratado para el cuerpo docente del instituto y vicedirector del laboratorio. “Por esta razón, nuestra formación acaba siendo más completa”.
El Pelletron es operado actualmente por 9 profesores y 15 técnicos. En 2015, el laboratorio empezó a invertir en el desarrollo de un sistema de control digital para los dispositivos ópticos utilizados para guiar el haz de partículas dentro del acelerador. El objetivo es permitir que los ajustes puedan realizarse a distancia, desde la sala de control de la máquina, sin que nadie tenga que subir o bajar por las escaleras del edificio para ejecutarlos. El trabajo ha sido realizado poco a poco por un técnico del equipo y su puesta a punto demandará algunos años.
Se trata de una realidad diferente a la que experimentan los científicos que trabajan en los poderosos aceleradores que se construyeron en el exterior en los últimos años, como es el caso del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), operado por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), en la frontera entre Francia y Suiza. “Allí, ni siquiera me acerco al acelerador y puedo centrarme en el análisis de los datos”, dice Munhoz, quien trabaja en un proyecto internacional en el LHC. El dispositivo, en funcionamiento desde 2008, es el mayor acelerador de partículas del mundo, capaz de alcanzar hasta 7 billones de voltios de energía.
“Los países ricos desmantelaron la mayoría de los aceleradores del tamaño del Pelletron porque tenían recursos para construir instalaciones mucho mayores y dedicarse a otro tipo de investigaciones. Pero no fueron todos y varios aceleradores similares aún contribuyen con investigaciones, por ejemplo, para estudiar las reacciones nucleares en las estrellas o verificar pequeños desvíos en las predicciones del Modelo Estándar de la Física de Partículas [la teoría sobre el comportamiento de las partículas y las interacciones entre ellas desde el principio del universo]”, dice la física húngaro-brasileña Alinka Lépine-Szily, docente de la USP y directora del Pelletron entre 2007 y 2011. “Brasil no está en condiciones de contar con un laboratorio mucho más grande, pero aún podemos hacer muchas cosas con este dispositivo”.
Léo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP Ilustración João Carlos Terassi / IF-USPValdir Scarduelli, vicedirector del laboratorio, en la sala de control; las líneas de haces de iones (a la izq., el Ribras), con diversas aplicacionesLéo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP Ilustración João Carlos Terassi / IF-USP
A principios de la década de 1990, cuando el Pelletron cumplió su primera década activo, el propio Sala advirtió que había que dar un paso al frente para poder mantener el laboratorio en condiciones competitivas. La alternativa que propuso fue un convenio con el Laboratorio Nacional Argonne, de Estados Unidos, que había desarrollado otro tipo de equipo para el estudio de los núcleos atómicos, utilizando radiofrecuencias para acelerar las partículas. Podía acoplárselo a la salida del Pelletron para amplificar los efectos de la energía generada por el dispositivo.
El instituto creó el Laboratorio del Acelerador Lineal (Linac), en el mismo edificio del Pelletron, y compró parte de los aparatos necesarios, pero hasta ahora el montaje del equipo diseñado en el Argonne no ha sido concluido. Sala sufrió un derrame cerebral y no quedó en condiciones de seguir al frente del proyecto. Scarduelli estima que, de concluirse, ello permitiría duplicar la energía generada por el Pelletron, pero hacen falta recursos, técnicos y docentes que puedan dedicarse exclusivamente a este fin.
La participación de los físicos de la USP en el desarrollo de los chips para el programa de satélites puede haber abierto un camino para solucionarlo. En el proyecto Citar, que concluyó este año, se utilizó el Pelletron para probar los componentes creados por otros laboratorios y apuntar los ajustes necesarios. Con todo, el equipo no cubre todas las pruebas requeridas para la certificación de los dispositivos conforme a los estándares internacionales. En teoría, la conclusión del montaje del Linac podría resolver el problema, permitiendo al Pelletron ofrecer servicios de certificación a los fabricantes de los circuitos.
La financiación para este avance podría provenir del lanzamiento de una nueva fase del Citar, que actualmente está siendo debatida por el gobierno federal con el Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe) y otras instituciones que participaron en el programa. En mayo de este año, al final de un evento que celebró los 50 años del Pelletron, el entonces director del LAFN del IF-USP, Rubens Lichtenthäler Filho, mencionó esta posibilidad al preguntársele por el futuro. “Lo último que podemos hacer es rendirnos”, sostuvo. “En este caso, creo que realmente hay una luz al final del túnel”.
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