A joint Fermilab/SLAC publication
Ordem E Progresso
Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Pedro Rivas

El legado de César Lattes

10/03/19

El físico brasileño César Lattes, considerado un héroe nacional por sus descubrimientos, allanó el camino para proyectos de investigación pioneros en astrofísica de partículas en América Latina y más allá.

Cuando César Lattes se graduó de la Universidad de São Paulo en 1943, todavía era un adolescente y el único estudiante de física en su clase. Poco sabía que solo unos años más tarde su investigación estaría ligada a dos premios Nobel, y sería un héroe nacional de la ciencia en Brasil, con calles y plazas nombradas en su honor.

“Si la gente de aquí conoce el nombre de un físico, entonces es César Lattes”, dice Cássio Leite Vieira, un comunicador científico del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF), que escribió su tesis doctoral sobre una técnica de detección de partículas que Lattes ayudó a impulsar. 

“Sus acciones han sido fundamentales para Brasil, y tuvieron un efecto dominó en Argentina, Bolivia, Chile, Uruguay y muchos otros países”.

Beneficiario de una nueva iniciativa de la universidad para poner en marcha la física experimental en Brasil, Lattes fue clave para el desarrollo de la tecnología utilizada para descubrir el pión, una partícula de corta vida producida cuando las partículas del espacio chocan con la atmósfera de la Tierra. 

Cuando transfirió su tecnología al laboratorio del acelerador, los frutos de esa labor ayudaron a los científicos estadounidenses a impulsar la construcción del Bevatron, el acelerador donde los científicos descubrirían el antiprotón. 

El trabajo y la reputación de Lattes allanaron el camino para el desarrollo de la física experimental en Brasil y en toda América Latina. Su legado sigue vivo en los experimentos de astrofísica de partículas en toda la región.

Portrait of César Lattes
Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Pedro Rivas

Los comienzos de la física experimental 

Cuando Lattes comenzó sus estudios, no había mucha investigación de física experimental en Brasil. Antes de la década de 1930, los profesores universitarios se concentraban principalmente en la enseñanza, y cualquier investigación que realizaban se centraba en la teoría.

Eso cambió en 1934. En un esfuerzo por distinguirse, la recién fundada Universidad de São Paulo invitó al famoso físico italiano Enrico Fermi a lanzar su programa de física teórica y experimental. 

Fermi se negó, pero recomendó al investigador ruso-italiano Gleb Wataghin para que fuera en su lugar. Uno de los primeros estudiantes de Wataghin fue Lattes.

Por invitación de Wataghin, otro famoso físico experimental italiano, Giuseppe Occhialini, vino a Brasil para realizar investigaciones sobre rayos cósmicos. Terminó dando un curso de rayos X al que solo asistió un estudiante: Lattes. Occhialini convirtió el curso en una experiencia práctica para Lattes y le asignó que desarrollara una película fotográfica expuesta a la radiación. Fue el punto de entrada de Lattes en la física experimental y la investigación de frontera.

En 1944, Occhialini regresó a Europa para trabajar con el físico inglés Cecil Frank Powell en la Universidad de Bristol, donde los científicos utilizaban herramientas fotográficas especiales llamadas placas de emulsión nuclear para detectar partículas cargadas. Las placas son similares a las películas fotográficas en blanco y negro normales. Tienen una capa de gelatina como soporte para la sal de plata sensible a la luz. Cuando las partículas cargadas pasan a través de la placa, dejan rastros que se hacen visibles después de revelar la placa.

Occhialini envió una de esas placas a Lattes, que había estado estudiando las cascadas de partículas atmosféricas utilizando detectores de partículas llenos de vapor supersaturado llamados cámaras de niebla. Lattes se dio cuenta rápidamente de que las placas de emulsión eran superiores a sus métodos actuales, por lo que fue a Bristol a aprender más sobre la técnica.     

Allí, se le ocurrió la idea de agregar boro al revestimiento de las placas fotográficas, una modificación que le permitiría usarlas para estudios de rayos cósmicos. 

En 1946, mientras estaba de vacaciones esquiando en los Pirineos franceses, Occhialini trajo dos juegos de placas, uno con la adición de boro de Lattes y otro sin, a un observatorio a 2877 metros de altura (aproximadamente 1,8 millas sobre el nivel del mar) en la montaña Pic du Midi. A su regreso, reveló las placas y descubrió que las que tenían la modificación de Lattes mostraban rastros de una partícula que hasta entonces nunca se había observado. 

La nueva partícula resultó ser un pión, un tesoro que los científicos habían buscado desde que el físico teórico japonés Hideki Yukawa predijo su existencia en la década de 1930.

Alcanzando nuevas alturas

Los científicos habían descubierto el pión, pero las placas no contenían suficiente información para determinar todas sus propiedades, incluida su masa. 

Lattes supuso que si llevaba las placas a una elevación más alta, donde estarían expuestas a más piones de las colisiones de los rayos cósmicos con la atmósfera, obtendría la información adicional que necesitaba. 

Entonces, se aventuró hacia el monte Chacaltaya de Bolivia, que se encuentra a una altura de 5421 metros (aproximadamente 3,7 millas), casi el doble de alto que el Pic du Midi, para dejar sus placas fotográficas. Las recogió un mes después y regresó a Bristol, donde el equipo encontró muchas más desintegraciones de piones. Los datos adicionales les permitieron calcular la relación de masa entre piones y muones, un tipo diferente de partícula descubierta en rayos cósmicos 10 años antes, y muestran que el pión es más pesado.    

El desarrollo de la técnica de emulsión fotográfica y su uso para el descubrimiento del pión hizo que Powell, el investigador principal de Bristol, obtuviera el Premio Nobel de Física en 1950. Yukawa, quien predijo la existencia del pión, ya había recibido el premio el año anterior.

Flags of Japan, Bolivia and Brazil fly over Chacaltaya
Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Pedro Rivas

Fomentando la ciencia en Brasil y más allá

Después del descubrimiento, Lattes se dio cuenta de que la técnica también podría utilizarse en aceleradores de partículas para detectar piones que fueron producidos artificialmente. 

En 1948 llevó su conocimiento de las placas fotográficas al Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Berkeley, conocido hoy como el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. El laboratorio albergaba lo que entonces era el acelerador de partículas más grande del mundo. En cuestión de días, él y su colega estadounidense Eugene Gardner lograron detectar los piones que se creaban allí.

El experimento generó mucha prensa en los Estados Unidos. Esa publicidad ayudó al director del laboratorio, el ganador del Premio Nobel Ernest Lawrence, a impulsar la construcción de un acelerador aún más poderoso llamado Bevatron. 

De vuelta en Brasil, Lattes fue aclamado como un héroe de la era nuclear. “Era la primera vez en la historia de nuestro país que alguien realmente había hecho una investigación de frontera en física experimental en términos reales y se destacó por eso”, dice Vieira. 

Lattes no se consideraba una estrella, dice Vieira, pero aceptó convertirse en la cara de una campaña popular que buscaba más fondos del gobierno para la ciencia. Uno de los resultados de este esfuerzo fue la fundación del CBPF en 1949, con Lattes como su director científico. 

En los años siguientes, Lattes continuó impulsando el crecimiento del programa de física experimental de Brasil. 

En 1952, el CBPF firmó un acuerdo con la Universidad de San Andrés en Bolivia para construir en la cima del monte Chacaltaya un laboratorio donde los científicos pudieran estudiar los rayos cósmicos. El laboratorio dio origen a nuevos grupos de investigación en Bolivia y en toda América del Sur.

El bajo costo de los materiales utilizados (unas pocas placas fotográficas, reactivos químicos y un microscopio) permitió que incluso países sin muchos recursos tecnológicos y financieros realizaran investigaciones de vanguardia y se establecieran en física de alta energía. 

A fines de la década de 1950, Lattes y Yukawa ampliaron el alcance del laboratorio de Chacaltaya al iniciar una exitosa colaboración entre Brasil y Japón en la investigación de rayos cósmicos. La asociación duraría más de 30 años.

Una nueva ciencia se extiende desde la montaña de Lattes

Lattes murió en 2005. Ese mismo año, el científico nacido en Francia, Xavier Bertou, y otros estaban implementando el código en el Observatorio Pierre Auger en Argentina, un observatorio internacional diseñado para estudios de rayos cósmicos de energía extremadamente alta. 

Para detectar estas partículas desde el suelo, el observatorio utiliza un arreglo de tanques llenos de agua llamados detectores Cherenkov. Cuando las partículas de alta energía pasan a través de los tanques, viajan más rápido que la velocidad de la luz a través del agua, creando un resplandor azulado a su paso. 

Bertou y sus colegas querían evaluar la sensibilidad de los detectores a los brotes de rayos gamma.

“Descubrimos que podíamos lograr la misma sensibilidad de los 1600 detectores del observatorio con un solo detector, si lo colocábamos en Chacaltaya”, dice Bertou. 

Después de llegar a esa conclusión, el equipo instaló un detector en la montaña. Pero la idea no se detuvo allí. Se convirtió en una red internacional de detectores llamada Observatorio Gigante de América Latina (LAGO, por su acrónimo en inglés).

Si bien los detectores de LAGO son un derivado de los detectores Cherenkov del Observatorio Pierre Auger, la tecnología de LAGO es mucho más simple, ya que utiliza tanques de agua más pequeños, dispositivos electrónicos más simples y menos detectores sensibles a la luz.

“Ese concepto de diseño es intencional”, dice el investigador principal de LAGO, Iván Sidelnik, del Centro Atómico Bariloche en Argentina. “Esto garantiza que nuestra tecnología sea asequible para todos los socios colaboradores y que todos los institutos participantes puedan construirla, incluso si son pequeños”. 

Hoy en día, la colaboración LAGO tiene casi 100 miembros en 10 países latinoamericanos y España. Adriana Gulisano, física del Instituto Antártico Argentino y representante de LAGO en Argentina, acaba de viajar con colegas para agregar el primer detector ubicado en la Antártida a la red LAGO. 

Ella quiere usar los datos para aprender más sobre el clima espacial: la intrincada interacción entre el viento solar, el campo magnético de la Tierra y la producción de lluvias de partículas en la atmósfera de nuestro planeta. 

“La instalación de un detector en las condiciones extremas de la Antártida comenzó como una idea loca que algunos de nosotros tuvimos después de reunirnos en un café hace siete años”, dice. “Es muy gratificante ver que nuestro experimento mental se ha hecho realidad”.

Para muchos estudiantes universitarios de países fuera de Argentina, Brasil y México, que son las potencias de la física de alta energía en América Latina, LAGO demuestra ser el punto de entrada al campo más amplio, lo que a menudo da lugar a que participen en colaboraciones internacionales más grandes.

Luis Núñez de la Universidad Industrial de Santander, Colombia, ayudó a establecer nodos de LAGO en Colombia y en su Venezuela natal. “El ‘modelo de negocio’ de la colaboración tiene en cuenta las circunstancias particulares de América Latina”, dice. “En algunos lugares, como Perú y Bolivia, no hay grandes agencias de financiación nacionales, por lo que para que esos países puedan participar en LAGO, la tecnología debe ajustarse al presupuesto de las universidades locales”.    

Varios de los estudiantes de Nuñez están trabajando en experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN de Ginebra. “La capacitación que brindamos a nivel local puede realmente cambiar la vida de nuestros estudiantes y crear oportunidades para trabajar en áreas de investigación que no tenemos en América Latina”, dice.

South American Lab Facilities
Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Pedro Rivas

El legado de Lattes sigue vivo

El físico boliviano y miembro de LAGO Martin Subieta le da crédito a LAGO por haber iniciado su carrera en física experimental, que recientemente ha dado un giro completo. 

Después de recibir su formación universitaria en el laboratorio Chacaltaya, Subieta se mudó a Italia para completar un doctorado y realizar una investigación postdoctoral, incluido el trabajo en el experimento ALICE en el CERN. Ahora está de vuelta en Bolivia, trabajando como profesor en la Universidad de San Andrés y como investigador en el Observatorio Chacaltaya.

“Lo que comenzó con Lattes en Chacaltaya y el descubrimiento del pión ha sido maravilloso para Brasil y Bolivia”, dice. “En realidad, ha sido importante para la ciencia en toda la región y ha generado conexiones especiales entre América Latina y el resto del mundo”. 

La colaboración de BASJE para la investigación de rayos cósmicos en Chacaltaya, por ejemplo, conectó a Bolivia con Japón y el Instituto de Tecnología de Massachussets, una relación fuerte que duró desde principios de los años sesenta hasta hace algunos años. Bolivia ahora está comenzando un nuevo proyecto de astrofísica de partículas llamado ALPACA en colaboración con Japón. 

Con LAGO y otras alianzas, América Latina se ha establecido como un terreno fértil para grandes proyectos científicos internacionales. 

La tendencia continúa con grandes proyectos en el horizonte, como la Red de Telescopios Cherenkov (Cherenkov Telescope Array, CTA), el Observatorio de Rayos Gamma de Gran Campo Visual en el Hemisferio Sur (Southern Gamma Ray Survey Observatory, SGSO) y el laboratorio subterráneo ANDES propuesto, un proyecto defendido por el fundador de LAGO, Bertou, que fortalecería la huella de América Latina en la investigación de neutrinos y de la materia oscura.

“El mundo ha descubierto que América Latina es un lugar excelente para la ciencia de primer nivel”, dice Vieira. “Aquí, no solo encuentran excelentes condiciones de observación, sino también una comunidad vibrante de científicos muy capacitados.”