Recuerdo que de niña miraba un rayo de sol atravesar la ventana. En ese cono de luz flotaban partículas: algunas como puntos diminutos, otras como líneas onduladas que parecían danzar sin orden. Durante años pensé que el polvo vivía dentro de la luz. Después entendí que estaba en todas partes; simplemente se volvía visible cuando interactuaba con los fotones del Sol. Esa dispersión —el efecto Tyndall, descrito por John Tyndall en 1869— es lo que permite que lo invisible, de pronto, aparezca ante nuestros ojos.
En física de altas energías ocurre algo parecido. En experimentos de colisiones de iones pesados como el MPD (Multi-Purpose Detector), parte del complejo NICA del JINR, las partículas que nos interesan estudiar no se parecen en nada a aquellas motas de polvo. Son infinitamente más pequeñas y viven apenas fracciones de segundo. Sin embargo, el principio es el mismo: no vemos las partículas directamente, vemos su interacción con la materia que las rodea.
El MPD busca recrear en el laboratorio el estado primigenio de la materia: el plasma de quarks y gluones (QGP), presente en los primeros instantes del universo. Queremos entender cómo esa materia “desconfinada” cambió de fase hasta formar protones, neutrones y, eventualmente, todo lo que hoy conocemos. Pero estas partículas son demasiado pequeñas o demasiado efímeras para observarlas directamente. Por eso desarrollamos detectores: instrumentos que nos permiten reconstruir su existencia de manera indirecta.
El plasma de quarks y gluones es un eco del universo recién nacido.
En física nuclear y de partículas, los detectores registran la interacción de las partículas con la materia. Aunque existen cuatro fuerzas fundamentales, los detectores se basan en la interacción electromagnética. Detectamos partículas cargadas porque ionizan el medio que atraviesan: pierden energía al arrancar electrones de los átomos. También podemos medir la emisión de fotones al interactuar con núcleos (radiación Bremsstrahlung), la radiación Cherenkov cuando una partícula viaja más rápido que la luz en un material, o la radiación de transición al cruzar la frontera entre dos medios. Todo ello deposita energía que convertimos, finalmente, en una señal eléctrica medible.
Las partículas neutras no dejan huella directa, pero sí podemos detectar las partículas cargadas que producen al interactuar con el detector. Este principio no está limitado a los grandes laboratorios: también se usa en hospitales. En estudios médicos se detectan fotones emitidos por radioisótopos para identificar tumores, o se monitorean las reacciones nucleares inducidas por haces de protones o iones de carbono en terapia hadrónica. Lo que comenzó como una herramienta para entender el universo, hoy salva vidas.
El MPD está formado por múltiples capas, cada una diseñada para registrar distintos aspectos de la interacción de las partículas con la materia. Tras la colisión de iones pesados, el QGP se forma y evoluciona rápidamente hacia hadrones que emergen en todas direcciones. Primero atraviesan los sistemas de rastreo y el campo magnético; luego los calorímetros electromagnéticos y hadrónicos; finalmente, los detectores de muones.
Para reconstruir trayectorias, el MPD utiliza principalmente una Cámara de Proyección de Tiempo (TPC), inventada por D. R. Nygren en 1976. Es un gran volumen cilíndrico lleno de gas, inmerso en campos eléctrico y magnético. Cuando una partícula cargada lo atraviesa, ioniza el gas. Los electrones y iones derivados viajan hacia los extremos del detector. Midiendo el tiempo que tardan en llegar y la posición en la que impactan, podemos reconstruir en tres dimensiones la trayectoria de la partícula.
El campo magnético curva esa trayectoria debido a la fuerza de Lorentz, lo que permite determinar su momento y su carga. A partir de la pérdida de energía —descrita por la ecuación de Bethe-Bloch— podemos identificar si se trata de un pión, un protón u otra partícula cargada.
Rodeando a la TPC se encuentra el detector de tiempo de vuelo (TOF). Midiendo el tiempo que tarda una partícula en recorrer una distancia conocida, diferenciamos partículas ligeras de pesadas con el mismo momento. En el MPD, el TOF utiliza Cámaras de Placas Resistivas de Espacios Múltiples (MRPC), desarrolladas en 1979, donde electrodos sometidos a alto voltaje y separados por gas permiten medir con gran precisión el instante de llegada de la señal.
Después vienen los calorímetros: electromagnéticos, que absorben electrones y fotones; y hadrónicos, más densos, que detienen protones y neutrones. Al incidir una partícula se producen cascadas internas que generan señales proporcionales a su energía. Sólo los muones —200 veces más pesados que los electrones y mucho menos interactivos— logran atravesarlos, por lo que una última capa especializada los detecta.
Con toda la información reunida —masa, carga, energía y momento— reconstruimos el evento completo. Podemos determinar el punto de origen de las partículas, su abundancia y si se formó o no el plasma de quarks y gluones. Al comparar los resultados con modelos teóricos y con colisiones de protones, estimamos la temperatura, la densidad y el tipo de transición de fase. En otras palabras: reconstruimos, en miniatura y por instantes, las condiciones del universo después del Big Bang.
Como aquel polvo suspendido en la luz, el universo siempre estuvo ahí. Lo que cambia es nuestra capacidad para hacerlo visible. Cada detector es una ventana nueva. Cada señal eléctrica, una pista. Cada colisión, una oportunidad de entender de qué estamos hechos.
Y en ese esfuerzo, inevitablemente, también nos vemos reflejados.
La misma física que estudia el Big Bang ayuda a diagnosticar y tratar enfermedades.
