QUBIC en la Puna salteña: estudiarán las ondas gravitacionales del origen del Big Bang

QUBIC en la Puna salteña: estudiarán las ondas gravitacionales del origen del Big Bang

Por Yasmín González Blanco. En U-238 # 24 Noviembre – Diciembre 2016

Se trata de una colaboración internacional que involucra instituciones de Francia, Italia, Reino Unido, Estados Unidos y ahora a la Argentina. El novedoso proyecto de cosmología experimental se plantea estudiar las condiciones iniciales del Universo, a través de tecnología especializada para la observación y permitiendo comprobar lo que sólo está planteado en forma teórica.

“Bellezas del Universo”, esas son las palabras que elige Alberto Etchegoyen, representante argentino frente al comité QUBIC e investigador del CONICET y CNEA, para calificar lo que se dispone descubrir este experimento. QUBIC (Q-U Bolometric Interferometer for Cosmology) es un proyecto de la cosmología que tiene como objetivo medir la polarización modo B del fondo cósmico de microondas a fin de revelar qué ocurrió en los primeros instantes después del Big Bang.

El instrumento de medición fue inicialmente concebido para su operación en la Antártida, pero la colaboración internacional ha decidido la instalación del primer módulo en la Argentina. Este se instalará en la zona de Altos Chorrillos (a 15 km de San Antonio de los Cobres, provincia de Salta), a 4.800 metros de altura, donde compartirá espacio con el radiotelescopio argentino-brasileño LLAMA (Large Latin American Millimiter Array). Esto genera condiciones muy favorables para QUBIC, ya que cuenta desde el comienzo con infraestructura necesaria para aprovechar.

Desde el punto de vista de la astrofísica, LLAMA también ha sido beneficioso porque desde hace años que se encuentra midiendo la atmósfera, garantizando la limpieza del espectro radioeléctrico de la zona. Etchegoyen explica que el emplazamiento cuenta “con muy poco vapor de agua, molesto para la medición de radiaciones que se quiere hacer, y tiene muy buenas atmósferas”, convirtiéndolo así en un sitio inmejorable.

QUBIC, que competirá con otras iniciativas internacionales, surge de una colaboración franco-italiana, con contribuciones de científicos ingleses, irlandeses y ahora también argentinos. El proyecto, de un costo total estimado de 50 millones de euros, está planteado en cinco etapas sucesivas. Las tres primeras, vinculadas a la investigación y desarrollo para el diseño del instrumento y su respectiva validación, ya están finalizadas. En la actualidad, se encuentra en curso la construcción y posterior operación del instrumento. Dependiendo de los resultados obtenidos en primera instancia, se estima que se podrían construir más módulos QUBIC operando a tres frecuencias (90, 150 y 220 GHz).

A nivel nacional, se está negociando un acuerdo que involucra a la CNEA, el CONICET, el Ministerio de Ciencia y Tecnología (MinCyT) y el Gobierno de Salta. Hasta el momento, el MinCyT se ha comprometido con un apoyo económico de medio millón de dólares.

En cuanto al aporte científico, el país cuenta con un grupo de profesionales con experiencia y altamente formados que ya están trabajando en conjunto con los científicos y técnicos extranjeros. “Ahora tenemos una capacidad incipiente de 23 personas en la colaboración argentina. Entre ellos CNEA Buenos Aires, gente de CNEA Mendoza, CNEA Bariloche, personal de la Universidad de La Plata, del IAR (Instituto Argentino de Radioastronomía) y, por supuesto, un gran apoyo de Salta”, precisa Etchegoyen.

Micro y nanotecnologia al servicio del universo

Existe un amplio consenso en que una fracción de segundo tras el Big Bang se produjo una súbita y rápida expansión del espacio conocida como inflación cósmica. Esta teoría refiere que este crecimiento exponencial debe haber estado acompañado de ondas de energía gravitacional, denominadas “ondas primordiales gravitacionales”. Estas ondulaciones en el espacio-tiempo, dicen los científicos, habrían perdurado hasta nuestros días, dejando una marca, llamada “radiación cósmica de fondo de microondas” (o CMB, por sus siglas en inglés).

La polarización CMB (cosmic microwaves background) puede ser descompuesta en dos modos de paridades opuestas: modos-E y modos-B. Estos últimos son los que todavía no han podido ser medidos y su detección se supone extremadamente difícil. No obstante, se cree que su estudio es clave debido a que una observación de los modos-B podría ser la “prueba del delito” que revele la presencia de las ondas primordiales gravitacionales generadas por la inflación y proporcionaría, de este modo, información invaluable sobre lo que ocurrió después del Big Bang. En síntesis, el descubrimiento de los modos-B es hoy uno de los mayores desafíos que enfrenta la cosmología observacional, ya que probaría esta teoría.

La debilidad de la señal de los modos-B, sin embargo, necesita que los experimentos que los detecten sean aún más complejos y delicados que los construidos hasta el momento. Por su parte, la mayoría de proyectos actuales destinados a la detección de la polarización se basan en una arquitectura que, si bien provista de una alta sensibilidad, posee dificultades para controlar la mezcla de señales de polarización con los modos E. Para evitar este cruce, la colaboración QUBIC desarrolló un innovador concepto tecnológico, que busca reunir la sensibilidad de los detectores bolométricos con el control de los efectos sistemáticos que permite la interferometría.

Al respecto, Etchegoyen anuncia que parte de este sistema, de diseño francés, está siendo elaborado por el equipo técnico argentino y brinda detalles sobre su funcionamiento: “El sistema de tección fundamentalmente es un termómetro resistivo”. El científico menciona que el instrumento apunta a detectar variaciones en temperaturas muy cercanas al 0 absoluto. “Cuando llega una radiación al sistema de tección le produce una corriente eléctrica que produce calor. Apenas le llega una señal, diminuta, calienta ese sistema y entonces se mide la diferencia de calor entre una fuente de criostato y la que hay en el sistema de tección”.

La efectividad de este proceso no sería posible sin las membranas de microfabricación que se llaman TES (Transition-Edge-Sensor) y que CNEA está perfectamente capacitada para tomar a su cargo la producción. “La CNEA es multifacética. No solo puede desarrollar proyectos dentro de su línea estratégica fundamental, sino que hay un montón de proyectos de primer nivel que puede realizar, y este es uno de ellos”, destaca Etchegoyen.

Alejandro Fasciszewski, jefe del Departamento de Micro y Nanotecnología de CNEA, se encuentra abocado a esta tarea y se refiere al artefacto en otros términos: “Si bien, desde el punto de vista del funcionamiento es un termómetro, para mí es un dispositivo MEMS (Microelectromechanical Systems o, en español, Sistemas Microelectromecánicos)”. Dicha nominación parte de las dimensiones críticas que tiene su fabricación, que es de los dos micrones. Las instalaciones de CNEA cuentan con una sala limpia que tiene las facilidades para trabajar con técnicas de microfabricación. “Lo que nosotros vamos a realizar es la parte superior del dispositivo, que es una membrana suspendida de nitruro de silicio donde se fabrica el termómetro termoresistivo”, aclara Fasciszewski.

Por su parte, dos personas del equipo se encuentran trabajando en la ciudad de Salta, donde se efectuará el montaje de todo el sistema de tección, junto con otras piezas que se están desarrollando en Francia, Italia, Holanda y La Plata.

Argentina, polo astronómico

De acuerdo a lo consignado por Etchegoyen, los antecedentes de QUBIC nos sitúan veinte años atrás en la provincia de Mendoza, cuando se decidió que el Observatorio Pierre Auger se instalara en nuestro país. En ese entonces, la ciudad de Malargüe protagonizó la escena de la astrofísica, ya que el experimento fue el primero en el mundo diseñado para estudiar rayos cósmicos de altas energías, en cuya iniciativa participaron unos 500 científicos de 100 instituciones diferentes. El apoyo sostenido se proporcionó por parte de las autoridades provinciales y nacionales para que el proyecto pueda desarrollarse efectivamente, a través de la CNEA, que financió el proyecto junto con Mendoza, y del CONICET que aportó investigadores.

Historiales como estos posicionan óptimamente a la Argentina frente a la comunidad científica mundial. La solidez con la que se mantuvo Auger permitió que el país sea elegido por la Agencia Espacial Europea (ESA) para la instalación de la antena espacial que ya lleva 4 años desde su inauguración.

QUBIC es el corolario de esta historia. El proyecto encuentra a la colaboración nacional preparada tanto en términos de apoyo económico como institucional, con mano de obra calificada y un orgullo que los motiva a seguir avanzando.