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21 julio 2024

Igor García Irastorza: “El objetivo de DarkQuantum es dilucidar la naturaleza de la materia oscura”

Igor García Irastorza (Madrid, 1973), catedrático de Física Atómica, Molecular y Nuclear, ha sido receptor de la primera Synergy Grant que se concede en la Universidad de Zaragoza, una beca de élite dotada con trece millones de euros otorgados por el Consejo Europeo de Investigación (ERC) para su proyecto DarkQuantum. Una investigación dirigida al desarrollo de sensores cuánticos que permitan la detección de axiones, la partícula hipotética que podría componer la materia oscura, la más abundante del universo. El proyecto liderado por García Irastorza, quien ya ha sido receptor a lo largo de su carrera científica de otras dos becas ERC (Starting Grant en 2009; Advanced Grant en 2018), se desarrollará en dos importantes centros europeos: el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (Huesca) y el DESY, centro de física de partículas de Hamburgo (Alemania). El investigador, que también ha trabajado en el CERN, uno de los centros de investigación más importantes el planeta, es director del Centro de Investigación de Física de Astropartículas y Altas Energías (CAPA).

El proyecto DarkQuantum parte de la hipótesis de que los axiones componen la materia oscura, una materia cuya existencia se ha demostrado por su forma de interacción con la materia bariónica, esa materia ‘normal’ de la que está compuesto todo lo que conocemos, desde los seres vivos hasta las estrellas. Un descubrimiento que, de confirmarse, está llamado a ser uno de esos hitos que suceden una vez por siglo, explica el catedrático, y que pueden cambiar el mundo tal y como lo conocemos. Ya que del mismo modo que el descubrimiento de la electricidad a finales del siglo XIX permitió que un siglo después podamos tener un teléfono móvil a nuestro alcance (con todo lo que ello implica), el conocimiento de la naturaleza de aquello que compone el 80% del universo puede derivar en unos usos, hoy difíciles de prever, que para los hijos de nuestros nietos serán una realidad.

Usted ha conseguido una Synergy Grant, una de las más prestigiosas becas del Consejo Europeo de Investigación (ERC), para su proyecto Dark Quantum. ¿Qué supone la obtención de una beca de este prestigio?

Los proyectos del ERC son muy prestigiosos. La modalidad Synergy, está dirigida a proyectos que son capaces de demostrar que van a combinar la experiencia o la trayectoria de varios investigadores de disciplinas o de campos un poco distintos, de una manera muy novedosa, y que no se podrían hacer de manera aislada. Son proyectos muy especiales, muy bien dotados, y que duran unos seis años en nuestro caso.

Igor García Irastorza
El profesor, frente a la Facultad de Ciencias de la Universidad de Zaragoza. Foto: N.M.

¿Qué disciplinas convergen en su proyecto?

Estamos combinando tecnologías cuánticas con la investigación de la materia oscura. En el CAPA, en Zaragoza, estamos especializados en experimentos de búsqueda de la materia oscura, estamos muy ligados con el Laboratorio de Canfranc, que es donde se hacen muchos de estos experimentos, y también con otros centros de Europa como el CERN en Ginebra o el DESY en Alemania. En Zaragoza hacemos experimentos que requieren crear detectores de partículas especiales, con muy bajo ruido de fondo, porque la señal que dejaría la materia oscura que estamos buscando es muy poco probable, es muy pequeña. Esta es la parte del proyecto que aportamos nosotros. La parte que aportan los otros investigadores principales del proyecto es lo referido a las tecnologías cuánticas. Y aquí está la novedad. Vamos a utilizar tecnologías cuánticas que están emergiendo de la segunda revolución cuántica, con el desarrollo de computación cuántica, de los ordenadores cuánticos. Es algo que está muy de moda ahora que vamos a aplicar algo muy especial: la búsqueda de materia oscura. Si tenemos razón en la hipótesis que estamos lanzando, estas nuevas tecnologías podrían suponer un avance en sensibilidad impresionante de estos experimentos.

¿Con este proyecto se busca la demostración de la existencia de la materia oscura?

La existencia de la materia oscura no la pone en duda nadie en la comunidad científica, porque se han visto muchas evidencias. El universo está compuesto, en su gran parte, por materia oscura, una materia que interacciona gravitatoriamente, igual que el resto de materia del universo. Es decir, forma grumos en el universo, forma galaxias, estructuras a muy gran escala. Pero aparte de eso, es muy distinta del resto de la materia. Aparte de interaccionar gravitatoriamente, no interacciona de ninguna otra manera que conozcamos: no emite luz, por eso se llama oscura, y es de una naturaleza muy distinta a toda la materia de la que estamos habituados. La materia de la que estamos hechos nosotros, de la que están hechas las estrellas, los planetas, todo lo que vemos en los telescopios, se llama materia bariónica, que incluye todas las partículas fundamentales que conocemos. Pues bien, esta materia oscura, que es cinco veces más abundante está hecha de una naturaleza completamente desconocida hoy en día.

En el universo hay cinco veces más materia oscura que materia bariónica, de la que estamos hechos nosotros y las estrellas.

Nadie pone en duda que esa materia existe, lo que no sabemos es de qué está hecha. El objetivo es dilucidar la naturaleza de la materia oscura, de qué está hecha. El Modelo Estándar de Física de Partículas explica todo lo que observamos en el laboratorio, todo lo que observamos en los aceleradores de partículas. Esta física de partículas se dice a veces que está en crisis de demasiado éxito, porque desde los años 70 que se formuló esta teoría, básicamente todo lo que se ha ido observando, incluido el famoso bosón de Higgs hace 10 años, todo está incluido en esa teoría, lo predice sin ningún problema. Salvo la materia oscura. La materia oscura no la hemos manifestado en los laboratorios. Ningún experimento ha tenido un resultado que diga que hay nuevas partículas, por ejemplo, que no explican el modelo estándar, y que podrían ser materia oscura. No tenemos ningún resultado de ese tipo. Sí que hay hipótesis teóricas. Los teóricos piensan cómo podría ser un modelo estándar extendido que incluyera nuevas partículas que pudieran ser esta materia oscura y lanzan hipótesis, pero a día de hoy no están demostradas. Aunque hay alguna que es particularmente interesante, porque explican y predicen nuevas partículas que podrían popular el universo y comportarse como materia oscura. Una de estas teorías que estamos siguiendo nosotros, que es una de las favoritas hoy en día, es la de los axiones.

¿Qué son los axiones?

Son partículas hipotéticas, realmente no está demostrado que existan. Estos axiones podrían ser partículas que se hubieran producido en el universo poco después del Big Bang y que tendrían justo las propiedades que necesitamos para la materia oscura. O sea, no emiten luz y no interacción con casi nada, interaccionan solo gravitatoriamente porque tienen algo de masa. El universo podría haberse llenado de estas partículas, que se estarían comportando como esta materia oscura que nos parece ver, no ver físicamente, pero que se intuye que existe porque interacciona con lo que conocemos. Por ejemplo, vemos cómo las galaxias rotan de una manera particular, que si no estuviera esta materia oscura no podría ser. Vemos cúmulos de galaxias que chocan en el universo, y la forma que tienen de chocar es muy rara, es como si tuvieran mucha más masa que la que vemos en los telescopios. Todo concuerda. Hay cinco veces más materia oscura que materia normal. Hay otros elementos no bariónicos que sí se conocen, como los neutrinos, partículas que están demostradas. Son partículas muy curiosas, se hace mucha física de neutrinos en nuestra comunidad autónoma, también en el Laboratorio de Canfranc. ¿Podría ser la materia oscura una gran cantidad de neutrinos que no tenemos localizada? Eso se hipotetizó en los años 80 y 90, pero se descartó. Sabemos que el neutrino no puede ser la materia oscura. No nos queda ningún candidato dentro de las partículas conocidas para que sea la materia oscura. Por eso se están buscando partículas más allá del modelo estándar. Y los axiones son uno de los candidatos más interesantes.

¿Qué papel juega lo cuántico dentro del proyecto?

Aquí es donde viene lo realmente novedoso de nuestro proyecto. La forma de detectar axiones es mediante el uso de una propiedad que las teorías de axiones predicen que estos tienen: se transforman en fotones cuando cruzan campos magnéticos. Esa probabilidad es muy pequeña, muy poquitos axiones hacen eso, pero algunos si, y esa es una oportunidad para detectarlos. Todos los experimentos de axiones cuentan con un gran imán muy potente. La esperanza es que estos axiones, ya vengan de materia oscura o de otros fenómenos que también se estudia que podían producir axiones (el sol, por ejemplo, debería estar emitiendo axiones), atraviesen el campo magnético, se transformen en fotones, es decir, en campos electromagnéticos normales que se puedan detectar. Con detectores muy sensibles (porque esta señal es bajísima), se podría detectar esta señal. Es lo que se intenta hacer, no solo aquí, sino en muchos otros sitios del mundo. El primero que detecte esto… sería un gran resultado. El problema es que no tenemos una guía muy clara de en qué frecuencia pueden estar. Es como buscar una aguja en un pajar.

Igor García Irastorza
Igor García Irastorza en el Campus San Francisco. Foto: N.M.

Queremos detectar un campo electromagnético muy débil, una cantidad de fotones muy débil, a frecuencias muy bajas. Es como sintonizar una radio extremadamente débil, en una señal que además no sé dónde está. Las tecnologías cuánticas nos permiten detectar fotones únicos en frecuencias donde habitualmente no se detectan fotones uno a uno, sino que se detectan todos juntos. Cuando pongo la radio y escucho la radio con una antena, lo que estoy haciendo es detectar ondas electromagnéticas. Y la física cuántica me dice que en teoría todo está cuantizado. La realidad está cuantizada. Es decir, que, si interrogo a la naturaleza de la manera correcta, cualquier cosa está en grumos de unidades. Las ondas electromagnéticas que llegan a mi radio son ondas compuestas de una gran cantidad de fotones únicos (fotón es la palabra que los físicos de partículas usamos para referirnos al campo electromagnético, es lo mismo fotón que campo electromagnético). Las tecnologías cuánticas están consiguiendo tratar a estas ondas como partículas, que es lo que dice la física cuántica. Es decir, nuestra intención es desarrollar un detector de fotones en este rango de la radiofrecuencia tan bajo. Si tenemos éxito, llegaremos a tener una radio, por así decirlo, en la que en vez de escuchar la radio lo que haremos será contar fotones uno a uno. Esto lo que va a permitir es detectar señales de este tipo, señales de radiofrecuencia con una sensibilidad mejor que lo que se puede hacer ahora mismo. Esto tiene muchísimas aplicaciones, nosotros lo que vamos a hacer es usarlo para detectar axiones.

¿Qué supondría para la ciencia que esta teoría se confirmara?

Hay muchos equipos trabajando en detectar la materia oscura, pero a día de hoy nadie ha visto nada. La carrera es por mejorar la sensibilidad, porque tenemos a los físicos teóricos que nos dicen que tenemos que llegar hasta un nivel de sensibilidad donde creen que pueden estar estas partículas. Y los físicos experimentales como nosotros, que somos los que diseñamos experimentos, medimos la calidad de nuestro experimento en términos de la sensibilidad a distintos parámetros del axión en un espacio paramétrico. Y poco a poco vamos mejorando la sensibilidad de nuestros experimentos y vamos explorando más y más zona de este espacio paramétrico, intentando llegar a la zona caliente, que es donde dicen los teóricos que la probabilidad de que estén los axiones es mayor. Hay muchísimos equipos en el mundo trabajando en distintas zonas de este espacio de parámetros. El día que se vea, será un resultado de primer nivel. Sería la primera vez, desde los años 70, que se ve una señal de una partícula más allá del modelo estandar. Es un tipo de resultado que sucede una vez por siglo. Y si no, aun así, habrá sido un gran avance también en este campo de estudio, porque nos permitirá rechazar una gran parte de opciones de la respuesta a esta pregunta que de qué es la materia oscura.

¿Qué implicaciones podría tener este descubrimiento en la ciencia y la humanidad?

Estamos hablando de un avance en la comprensión de la naturaleza al nivel más básico. El 80% del universo es desconocido, pasaríamos a empezar a conocerlo. ¿Qué puede ocurrir? Pues es que es inimaginable. O sea, hoy en día estamos viviendo la segunda revolución cuántica, con cosas concretas que nos están afectando, como la computación cuántica. Google está ya construyendo el primer ordenador cuántico y Microsoft también. De momento son muy modestos, pero prometen mejoras en computación inimaginables comparados con los ordenadores actuales. Pero todo eso se basa en la comprensión de la naturaleza cuántica de la realidad que se desarrolló a nivel teórico entre los años 30 y los años 50 del siglo pasado.

Los axiones se pueden detectar en muchas frecuencias distintas: es como buscar una aguja en un pajar, como sintonizar una radio extremadamente débil.

Si a los que desarrollaron esa física cuántica les preguntaras qué implicaciones puede tener estos descubrimientos tan conceptuales, tan básicos, nadie te podía haber imaginado todo lo que iba a ocurrir. Algo más básico todavía: vivimos en un mundo que está rodeado de dispositivos electrónicos, no podemos vivir sin internet, sin teléfono. Y todo eso también se basa en desarrollos muy básicos que ocurrieron a principios del siglo XX y finales del siglo XIX con el descubrimiento de la electricidad. ¿Quién le iba a decir al que descubrió la electricidad, ese movimiento de electrones en un metal, todo lo que iba a venir un siglo después? Ahora solamente conocemos el 20% del universo. La ciencia básica de hoy es la ciencia aplicada del futuro.

En DarkQuantum se desarrollarán nuevos sensores de fotones para la detección de los axiones. Uno de ellos se instalará en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, único en España y segundo en importancia en Europa.

En una primera fase desarrollaremos estas tecnologías, en una segunda fase realizaremos dos montajes experimentales que buscarán axiones en dos rangos de frecuencia muy distintos. Uno físicamente estará en Hamburgo, y el otro, en Canfranc. Y lo novedoso es que va a ser el primer experimento de este tipo bajo tierra. Normalmente estos experimentos que buscan axiones no tienen los mismos requisitos que otros experimentos, como aquellos que siguen una hipótesis completamente distintas, los WIMPs, que si se desarrollan bajo tierra, para evitar la interferencia de la radioactividad ambiental. En axiones eso no ocurre, porque en ellos se suelen buscar señales de radiofrecuencias, y el ruido de fondo que compite con esta señal no es la radioactividad, sino interferencias electromagnéticas. En DarkQuantum, gracias a las tecnologías cuánticas, lo que haremos será contar fotones y no medir ondas de radiofrecuencia. Será la primera vez que se hace un experimento de este tipo con tecnologías cuánticas y bajo tierra.

Igor García Irastorza
En el hall de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Zaragoza. Foto: N.M.

El segundo se instalará dentro del imán BabyIAXO, en construcción como parte del Observatorio Internacional de Axiones (IAXO) en el DESY (Hamburgo), proyecto liderado por usted, y para el que ya recibió financiación del ERC en 2018.

El proyecto es una colaboración internacional de más de 100 científicos, en Hamburgo hay un grupo muy potente, ahí está DESY, centro de física de partículas, que es como el CERN alemán, que ha apostado mucho por esta línea de investigación, la búsqueda de axiones. El objetivo principal de este experimento es construir un gran imán superconductor, de diez metros de largo y 60 centímetros de diámetro, montado en una plataforma que apunte al sol. ¿Por qué al sol? La teoría de los axiones dice que el sol produce axiones, y que estos axiones se pueden detectar. Para detectarlos habría que transformarlos a fotones, y para transformarlos a fotones hace falta un campo magnético, cuanto más intenso y grande mejor.

Usted ha trabajado en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), en Ginebra. ¿Qué supuso esta experiencia dentro de su carrera profesional?

Sí, es como la Meca para los físicos de partículas. Todo el mundo quiere pasar por ahí algún momento en su vida. Cuando acabé la tesis, estuve tres años trabajando allí como investigador postdoctoral. DarkQuantum surgió un poco allí, ya que antes de IAXO existía otro experimento que ya se cerró hace poco, en 2021, que se llamaba CAST, que hacía lo mismo: tomaba un campo magnético y lo apuntaba al sol para buscar axiones. Yo estuve asociado con el comienzo de ese experimento.

Estamos hablando de un avance en la comprensión de la naturaleza al nivel más básico.

Estar en el CERN es impresionante. Es inmenso, no solamente por lo que se hace a nivel científico, sino lo que supone a nivel sociológico, por la forma en que se trabaja. Por los estatutos del CERN, todo lo que se hace allí tiene que estar inmediatamente publicado, con libre acceso para todo el mundo. Es internacional, de hecho, tiene estatus de funcionario internacional, aunque está físicamente en Suiza y en Francia. En cuanto entras al CERN tienes un estatus especial, se trabaja en forma de grandes colaboraciones, cientos y a veces, miles de científicos de todo el mundo trabajando en un mismo objetivo. Es muy especial, a nivel científico y a nivel humano.

Usted es también director del Centro de Investigación de Física de Astropartículas y Altas Energías (CAPA). ¿Qué objetivos se marca al frente de este centro?

En el CAPA tenemos el reto de transformarnos en instituto. El CAPA es un centro de investigación de la Universidad de Zaragoza, que se creó en 2019, que se crea englobando toda la comunidad de investigadores de la universidad con una larga trayectoria que ya estaban trabajando temas de Física de Astropartículas. Tenemos gente muy buena trabajando en Física Teórica. Era una comunidad que lleva muchos años trabajando, pero no tenía ninguna estructura de investigación reconocida por la universidad, más allá de los departamentos universitarios o por el Gobierno de Aragón.

Es la tercera vez que consigue una ERC, las becas de élite de la Unión Europea para la investigación cientítica. Se trata de becas que depositan su confianza en proyectos pioneros de alto riesgo que se prevé que abran nuevos caminos en cada ámbito de investigación becado. ¿Cómo se siente un científico cuando el Consejo Europeo de Investigación confía en él, en tres momentos distintos de su carrera, para liderar el cambio en su campo de investigación?

Son becas difíciles, que están muy bien dotadas, se otorgan del orden de unas treinta al año en toda Europa y en todas las disciplinas, desde humanidades hasta matemáticas. Es uno de los mecanismos más interesantes que ha creado Europa en la última década. Son distintas a la financiación convencional de la ciencia. Y lo interesante es que no hay directrices, cualquier tema es, en principio, financiable, y lo juzgan otros investigadores, no juzga ningún gestor, en revisión por pares, muy exhaustivamente. Nosotros hemos recibido doce informes de expertos. Ellos juzgan la calidad de la investigación, de los investigadores, el potencial de impacto. Y lo importante es que te animan a que te arriesgues. Es probable que muchas de estas ERCs acaben en punto muerto, es normal, pero con una por cada 10 o 30 que financien, que tenga éxito, puede ser un cambio disruptivo. Y eso compensa el resto. Lo importante de la ciencia es la materia gris, yo estoy convencido de ello después de todos los años que llevo en esto. Cuando veo venir estudiantes frescos, brillantes… es una gozada. Realmente la ciencia son los cerebros.

Igor García Irastorza

Recibir una ERC es un premio. Repetir y ‘tripitir’, significa que estamos haciendo las cosas bien, que estamos ahí, que hemos logrado este nicho que es tan difícil. Para conseguirla falta tener un poso de buena investigación. Conseguirla una y otra vez nos dice que estamos dando en el clavo con unas líneas de investigación muy punteras, en las que estamos adelantándonos a otros a nivel internacional, que podemos avanzar y que estamos haciendo las cosas de manera especial. Y eso obviamente es una satisfacción muy grande. Además, gracias a todo esto, somos un grupo muy grande, aparte del Capa como institución, pues el grupo que estamos llevando estas inversiones ya somos más de veinte personas, que es que es un número muy alto para España. Y estamos atrayendo gente de fuera que quiere venir aquí a trabajar, que eso es muy difícil para los grupos españoles porque tenemos muchos obstáculos a nivel de salarios, a nivel de capacidad de ofrecer un entorno atractivo más allá del entorno científico, entorno laboral, de oportunidades, de posibilidad de estabilización. A pesar de eso, estamos trayendo gente.

 

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