A joint Fermilab/SLAC publication
Illustration of cosmic rays hitting the El Castillo pyramid in Chichén Itzá, Mexico
Illustration by Sandbox Studio, Chicago with CHema Skandal!

Viendo a través de las paredes y rompiendo barreras

05/11/21

Las áreas de física y arqueología se unen para brindar oportunidades de investigación a estudiantes de grado de las comunidades negra e hispana.

Cada seis meses en los equinoccios de primavera y otoño, una serpiente se desliza por el costado de la pirámide de El Castillo en Chichén Itzá, México.

Bueno, no es una serpiente real, es una ilusión óptica causada por la perfecta alineación del sol y la intrincada arquitectura de la pirámide escalonada, una demostración de la precisión matemática de sus arquitectos mayas. La pirámide fue construida originalmente como un templo dedicado al dios serpiente emplumado Kukulcán (o Quetzalcóatl).

Para las físicas, físicos y estudiantes de la Universidad Estatal de Chicago y la Universidad Dominicana, lo que cuenta es lo que hay dentro de El Castillo. Como parte de un programa de cuatro años, las comunidades de física y arqueología se unirán para estudiar el interior de la antigua pirámide utilizando partículas que se originan en el espacio exterior, ya que de otro modo sería inaccesible. 

El proyecto NAUM (Arqueometría no invasiva con muones) explorará misterios aún sin resolver en el corazón de El Castillo. El proyecto también proporcionará experiencia de investigación para estudiantes de física de dos instituciones que atienden a minorías, ya que el Departamento de Educación de los Estados Unidos designa a la Universidad Estatal de Chicago como una institución predominantemente negra y a la Universidad Dominicana como una institución que sirve a las comunidades hispanas.

Los físicos Joseph Sagerer y Edmundo García-Solís comenzaron a discutir la idea que se convertiría en NAUM cuando ambos estaban en la Universidad de Illinois en Chicago hace 15 años. García-Solís, ahora profesor de física y presidente del Departamento de Química, Física e Ingeniería de la CSU [Universidad Estatal de Chicago], sugirió usar partículas llamadas muones (los primos más pesados de los electrones) para visualizar el interior de las pirámides en México, inspirado por su asesor universitario, el profesor Arturo Menchaca Rocha de la Universidad Nacional Autónoma de México. 

La técnica, tomografía de muones, utiliza muones de origen natural para sondear el interior de estructuras que de otro modo serían impenetrables, de forma similar a como se utilizan los rayos X para ver el interior de los cuerpos. Pero a diferencia de los rayos X que se utilizan en la obtención de imágenes médicas, los muones para tomografía de muones no necesitan fabricarse; se crean en la atmósfera de la Tierra cuando los rayos cósmicos colisionan con los átomos de oxígeno y nitrógeno. Esto los convierte en una herramienta conveniente para obtener imágenes del interior de grandes estructuras, desde volcanes y pirámides hasta recipientes de reactores nucleares y contenedores de transporte en las fronteras nacionales.

Cuando los muones viajan a través de una estructura, algunos se detienen en el camino, dependiendo del grosor y la densidad del material. Al colocar detectores de muones alrededor (y a veces dentro) de una estructura, las y los investigadores pueden ver cuántos muones atmosféricos llegan de un lado a otro. Si sobreviven más muones de lo esperado, eso significa que podría haber un material diferente o simplemente menos material de lo que se pensaba en un principio. O tal vez incluso un espacio vacío, por ejemplo, una habitación oculta.

Dado que la tomografía de muones tiene un pie tanto en arqueología como en física, el proyecto tardó un tiempo en obtener financiación. En noviembre de 2020, la Fundación Nacional de Ciencias otorgó premios por la iniciativa a Sagerer, ahora profesor senior de física en la DU [Universidad Dominicana], y al colega de García-Solís, Austin Harton, profesor de física e ingeniería en la CSU. Tanto los grupos DU como CSU han reclutado estudiantes para trabajar en NAUM. Colaborarán con un equipo en México que incluye a estudiantes de la Universidad Nacional Autónoma de México, liderado por Menchaca Rocha; el arqueólogo jefe de Chichén Itzá, José Francisco Osorio León; y el director de Tecnología para la Conservación Frecuencia Cero, el arqueólogo Eduardo Pérez de Heredia. 

Recibirán ayuda del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU., en parte de Mark Adams, profesor emérito de la UIC [Universidad de Illinois en Chicago] que ahora trabaja en Fermilab, y de Sten Hansen, un ingeniero eléctrico recientemente retirado de Fermilab. 

A través de un Proyecto de Asociación Estratégica, Fermilab también producirá los centelleadores para su uso en el detector de muones. Las largas tiras de plástico extruido incluyen un material que se ilumina cuando pasa una partícula. Luego, la luz se convierte en señales eléctricas que se utilizan para registrar el lugar donde la partícula golpea el detector. La combinación de muchas de estas tiras permite a NAUM construir planos que registran la posición y dirección de los muones. La misma tecnología robusta y rentable se utiliza en muchos experimentos de alta energía, como el Mu2e actual de Fermilab y los experimentos anteriores DZero. La electrónica de lectura para NAUM se basa en el sistema Cosmic-Ray Veto de Mu2e .

Cámaras ocultas

El Castillo es la pirámide más grande de Chichén Itzá, una gran ciudad construida por el pueblo maya y ahora un yacimiento arqueológico en Yucatán, México. Desde que el gobierno mexicano comenzó a excavarlo en la década de 1930, las arqueólogas y arqueólogos han encontrado dos edificios adicionales anidados debajo de la estructura más externa, revelando que la pirámide es en realidad tres edificios sucesivos. 

Eso es bueno para NAUM, significa que pueden probar su detector buscando las subestructuras y cámaras conocidas. También es posible que las subestructuras tengan más cámaras sin descubrir que las y los estudiantes pueden buscar. “El detector que proponemos puede localizar variaciones de densidad en regiones tan pequeñas como un metro cúbico situadas en cualquier posición dentro de una gran estructura”, dice Pérez de Heredia.

El Castillo también tiene un tamaño ideal para NAUM: lo suficientemente grande como para que el material detenga algunos muones, pero lo suficientemente pequeño como para que el equipo pueda recopilar suficientes datos en un tiempo relativamente corto. El plan es cambiar la posición del detector cada pocas semanas para obtener imágenes desde múltiples ángulos en el transcurso de un año.

Está previsto que el proyecto dure cuatro años en total, con los primeros tres años dedicados a ejecutar simulaciones, desarrollar software y ensamblar y probar el detector. 

Dado que no necesitarán viajar a Chichén Itzá para ejecutar el experimento hasta el cuarto año de la subvención, el equipo no prevé grandes retrasos relacionados con la pandemia. "Debido a que el detector se construirá en la CSU, nos dará la oportunidad de enseñar técnicas a los estudiantes justo en la universidad", dice García-Solís.

Además de explorar El Castillo, NAUM tiene como objetivo aumentar el número de estudiantes de las comunidades negras e hispanas en las disciplinas y la investigación STEM [Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemática, por sus siglas en inglés]. 

Es una intervención muy necesaria. De acuerdo con un informe por el Instituto Estadounidense de Física, solo el 3% de los títulos de licenciatura de EE. UU. se otorgaron a estudiantes de las comunidades negras y afroamericanas en 2018; las y los estudiantes hispanos y latinos obtuvieron un 9%. En 2018 y 2019, menos del 1% de los doctorados en física en los Estados Unidos fueron obtenidos por estudiantes de las comunidades negras y el 2% por los y las de las comunidades hispanas.

Orelle Bulgin, un estudiante jamaicano de último año de la CSU, dice que está emocionado por la oportunidad de hacer una investigación práctica, finalmente. "Creo que [este proyecto] es muy importante porque [las oportunidades de investigación] son lo que probablemente más nos falta en la Universidad Estatal de Chicago. Hemos tenido pocos recursos, en su mayor parte", dice.

Harton y García-Solís suelen llevar a dos estudiantes de la universidad CSU a la CERN [Organización Europea para la Investigación Nuclear] cada verano. Con esa opción desaparecida debido a la pandemia, están agradecidos por la oportunidad de llevar la investigación en física a sus estudiantes en vez de eso. "Cuando tienes un programa como este, puedes traer estudiantes y ellos pueden comenzar a trabajar en todos los niveles diferentes", dice Harton. "A medida que pasa el tiempo, crecen y comienzan a disfrutar de la física, y luego tienen experiencia que puede llevarse al siguiente nivel en la escuela de posgrado".

Sagerer agrega: "Lo importante es lograr que los estudiantes adquieran una mentalidad en la que comprendan lo buenos que son. Y dándoles la oportunidad de demostrarlo".