"Mientras diseñábamos el Qubic nos decían que estábamos locos"

De adolescente, hasta un año antes de finalizar la escuela secundaria en París, Jean-Christophe Hamilton, quería ser médico. Cirujano. Pero la pasión de una de sus profesoras lo arrastró hacia la física, más exactamente, la cosmología. Hoy, este astrofísico francés que contra viento y marea coordinó a lo largo de 15 años el desarrollo del Qubic, un instrumento único en el mundo que acaba de inaugurarse sobre las laderas de los Andes salteños, a 4900 metros de altura, para escudriñar el tenue eco de la explosión inicial que, se cree, generó nuestro universo, tiene toda una historia de colaboración con científicos argentinos. Está en pareja con su colega Clementina Medina, investigadora del Instituto Argentina de Radioastronomía de La Plata, y trabajó en el Observatorio Pierre Auger [que mide lluvias de partículas que se producen cada vez que un rayo cósmico de alta energía choca contra las moléculas de la atmósfera superior en Malargüe, Mendoza]. “Como le dije durante la inauguración a Daniel Filmus, en mi experiencia, el nivel académico en la Argentina es increíble, increíble –cuenta en perfecto español–. Las universidades, acá, son de una calidad fantástica. Trabajar con físicos argentinos es un placer, porque tienen una formación de base muy sólida”.

Nacido cerca de París, Hamilton siempre se sintió obsesionado por entender las leyes fundamentales de la naturaleza. “Esa fue mi pasión desde la universidad –afirma–. Hice mi tesis en cosmología sobre un tipo de supernovas, que son estrellas que explotan y permiten medir las distancias en el universo. También trabajé en radiación cósmica de fondo [CMB, según las siglas en inglés de Cosmic Microwave Background, un “residuo” del universo primitivo que nos llega desde todas partes y es una de las principales evidencias del modelo actualmente aceptado del Big Bang]”.

–Doctor Hamilton, ¿cómo llegó al proyecto Qubic?

–El Qubic no nació con ese nombre. La idea inicial surgió alrededor de 2001, de una discusión entre dos investigadores, el italiano Lucio Piccirillo y el norteamericano Peter Timbie. Lucio es un especialista en criogénica e instrumentación, y Peter es conocido en el campo de la radiación cósmica de fondo. Y la razón de que naciera esta idea es que en ese momento, con el trabajo de los físicos argentinos Matías Zaldarriaga y Diego Harari, y de Silvia Mollerach, de Bariloche, se intentaba entender cuáles podían ser las trazas o huellas de la inflación cósmica [la expansión ultrarrápida del universo, que se cree ocurrió en los instantes iniciales], algo que se pudiera observar.

Ellos llegaron a la conclusión de que la inflación debe haber producido una perturbación primordial de la densidad del universo, y también ondas gravitacionales. Después, Matías trabajó mucho sobre esto con otros investigadores de Estados Unidos desarrollando modelos que sugerían que podía haber una señal detectable: una cierta polarización de la luz [cuando vibra en una sola dirección] conocida como “modo B” [en teoría, cuando la luz se desacopló de la materia, el campo eléctrico se polarizó de dos maneras: un modo B y un modo E. El E ya fue descubierto y está relacionado con fluctuaciones de densidad de materia anteriores a la radiación de fondo cósmico]. Entonces, una parte de la comunicad de CMB llegó a la conclusión de que los modos B de polarización de la luz que nos llega desde el origen del universo serían algo así como el “grial” de la cosmología.

–¿Por qué son tan importantes estos modos de polarización?

–Bueno, es la única manera de probar experimentalmente lo que pasó en la época de la inflación. La única. No conocemos otra forma de medir lo que ocurrió en el universo a 10−35 segundos.

La señal es muy baja, entonces necesitamos una sensibilidad muy alta. Pero también un detector de polarización. Y la polarización de la luz es muy difícil de medir. Necesitamos un instrumento no solo muy sensible, sino también muy limpio.

–¿Por qué se tardó 15 años en lograrlo?

 –En esa época había dos técnicas para observar el CMB. Telescopios con la óptica clásica, que pueden tener lentes o espejos, como las cámaras... Son aparatos que hacen imágenes. Se pueden utilizar otro tipo de instrumentos con detectores muy sensibles (como los CCD en una cámara digital [dispositivos detectores de luz basados en materiales semiconductores como el silicio]), que puede emplear muchos bolómetros [miden la cantidad total de radiación electromagnética que viene de un objeto en todas las longitudes de onda]. Hay que mantenerlo a muy baja temperatura, pero puede llegar a una sensibilidad increíble, una sensibilidad tal que el ruido intrínseco del detector es menor que el ruido cuántico de la señal que estamos leyendo. El problema era que en CMB estamos observando una longitud de onda de 2 milímetros. Y dos milímetros  es el tamaño típico de los tornillos de los que se suspende el sistema óptico. Y eso es importante porque significa que hay un nivel importante de perturbación de la óptica por difracción (ocurre cuando la longitud de onda es del mismo tamaño que los objetos). Y la difracción y la polarización no se llevan bien. La difracción produce una cantidad de polarización bastante importante. Entonces, en esa época había dudas sobre la posibilidad de medir bien los modos B con este tipo de instrumentos.

La otra manera de observar el cielo eran los interferómetros [que aplican el fenómeno de interferencia de las ondas], pero las longitudes de onda del CMB necesitan amplificación de la señal. Y por una ley de la física, amplificar la señal significa sumar ruido, siempre. Por ejemplo, para escuchar música, hay toda una discusión de cuál es el mejor amplificador porque todos suman ruido.

En suma, había dos tipos de instrumentos disponibles: telescopios clásicos con alta sensibilidad, pero muchos efectos instrumentales, e interferómetros de baja sensibilidad, pero detección limpia. Lo que necesitábamos era sensibilidad y limpieza. Entonces, Piccirillo y Timbie tuvieron la idea de juntar ambos e intentar la inteferometría bolométrica, pero era bastante complicado. En un moomento, hubo que decidir: interferómetros o bolómetros.

En los Estados Unidos, decidieron ir hacia la bolometría. Por unos años la posibilidad de combinar ambas técnicas quedó como una idea teórica. Durante años nadie sabía cómo llevarla a la práctica. Entonces, decidimos hacer  una conferencia sobre interferometría bolométrica para los modos B con alguna gente de colaboraciones internacionales que estaban trabajando en el tema para tratar de ver si podíamos llegar a desarrollar un diseño. Yo había trabajado mucho para entender la sensibilidad de este tipo de instrumento y me tocó coordinar la conferencia.

Fue muy técnica, pero muy interesante. Al final, quedó claro que necesitábamos trabajar juntos y lanzamos un solo proyecto que se llamó “Brain” (“cerebro”; un chiste para físicos, porque antes había habido otro experimento también para detectar ondas gravitacionales primordiales que se llamó "Bicep").

Durante tres años estuvimos trabajando mucho. Se trataba de inventar una técnica nueva… ¡Fue una época fantástica! Por fin, en 2011, teníamos un diseño maduro y escribimos un artículo en una revista científica detallando cómo hacer un interferómetro bolométrico.

–En la inauguración del observatorio contó que durante mucho tiempo le dijeron que era una locura… ¿Por qué?

–En los Estados Unidos, todos se habían inclinado por los telescopios clásicos. Solo nosotros estábamos haciendo un diseño distinto. Nos decían "Están locos. Hay una manera más fácil de controlar los efectos no deseados. Están haciendo un trabajo imposible”. Pero estábamos convencidos de que ésta era la mejor manera de medir los modos B y seguimos adelante. Empezamos a conseguir dinero para construir el instrumento y diseñar los subsistemas. Teníamos gente con experiencia, pero no todos. Había muchos jóvenes. Un colega, Michel Piat, que desarrolló los detectores, es un genio de la instrumentación, es muy joven. Yo participé más en la parte de diseño teórico y análisis de datos, pero él tiene una conexión telepática con el instrumento. Era una combinación de locos (se ríe). Que aparezcan investigadores jóvenes diciendo "Bueno, tenemos una nueva idea. Necesitamos dinero”. Eso no funciona. Fue una batalla conseguir un poco de aquí y otro poco de allá mientras toda la comunidad nos decía "No, ¿para qué están haciendo eso?"...

–¿Cuándo empezaron a construir el Qubic?

–En 2015. Teníamos la intención de instalarlo en la Antártida, porque para medir esta señal estamos observando debajo de la atmósfera, que a esa longitud de onda emite mucha luz por la presencia de vapor de agua. Estamos tratando de observar algo muy débil y esa cantidad de fotones hace un ruido muy grande. Lo mejor es ir a un sitio muy seco. La Antártida es el lugar más seco de la Tierra, pero las dificultades logísticas fueron tales que en un momento empezamos a darnos cuenta de que los costos serían tan altos que sería imposible. Entonces, mi pareja, Clementina Medina, que había hecho mediciones para el telescopio de rayos Gamma (el proyecto "Cherenkov Telescope Array" o CTA) que se iba a instalar en San Antonio de los Cobres, me dijo: "Conozco un sitio bastante bueno en la Argentina”. Así que, en 2016, gracias a la gran calidad de la ubicación que fue demostrada por el trabajo de un equipo internacional y de [la astrónoma] Beatriz García con Clementina Medina, decidimos instalarlo en Alto Chorrillos, Salta.

–¿Ya lo probaron?

–A fines de  2017 empezamos a hacer mediciones en Francia con otras fuentes. Tenemos una fuente artificial de muy buena calidad que vamos a instalar en la montaña y va a ser muy útil para hacer la calibración. La utilizamos mucho durante este año, para demostrar que todas las previsiones teóricas de lo que es interferometría bolométrica se cumplen. Todo estuvo listo en 2020. Y ahí empezó la pandemia y fue un “quilombo”.

Una cosa importante es que en 2016, en el mismo momento en que decidimos venir a la Argentina, apareció una idea nueva. Nosotros siempre estábamos tratando de entender cómo vamos a interpretar los datos y en un momento fue claro que Qubic tiene una sensibilidad a la longitud de onda, al color de la luz, de la que carecen los otros telescopios. No es solo un interferómetro bolométrico, sino que tiene una resolución espectral cinco veces mejor. Y eso es muy importante porque ahora el problema más grande para medir los modos B parece que es este polvo galáctico que hace modos B de polarización que pueden confundir salvo por un detalle: tienen un color diferente porque tienen una temperatura distinta. Entonces, si se obtiene información espectral es posible controlar y extraer la contribución del polvo galáctico. Todo indica que Qubic tiene un plus muy significativo. Estamos haciendo muchas simulaciones para demostrarlo. Es increíble, pero vamos a poder distinguir entre el polvo y la señal real, algo que los otros no pueden hacer. Y (esto es gracioso) con una propiedad de Qubic que no fue planeada, es algo que descubrimos después.

–¿Cómo sigue el trabajo de aquí en más?

 –Lo que está en la montaña no es el instrumento completo, sólo tiene una parte de los detectores y una parte de las perforaciones que hacen la inteferometría. En el primer año, desde ahora a diciembre de 2023, más o menos, vamos a tratar de demostrar una vez más la técnica sobre el cielo con un instrumento de sensibilidad un poco baja comparado con el modelo final. Observaremos partes del cielo donde hay mucho polvo para demostrar que podemos extraerlo [de nuestros datos]. En un año vamos a hacer un upgrade [actualización] con todos los detectores. Sólo tenemos que bajar el instrumento hasta Salta, abrirlo y rehacer algunas cosas. Son seis meses de trabajo. Después, tres años de mediciones porque, como ocurre cuando uno quiere tomar una foto con poca luz, que necesita una exposición más larga, la señal que buscamos es tan débil que necesitamos, con el número de detectores que tenemos, un largo tiempo de observación.

–¿Qué pasa si no detectan estos modos B de polarización?

–Si medimos algo, es fantástico. Es una revolución en tecnología, pero no hacerlo también es interesante (aunque menos). Si los detectamos, es la gran noticia, porque confirmaría que realmente se produjo este período inflacionario vertiginoso. En ciencia, cuando uno tiene la respuesta a una pregunta es un momento maravilloso, pero también abre nuevas preguntas. Si podemos medir la señal de los modos B es un éxito completo para el modelo cosmológico. Nuestro modelo standard no funciona sin la inflación. Pero no tenemos pruebas directas, esta sería la única  confirmación. También, la única manera de medir y hacer física a una energía de 1016 gigaelectronvoltios (GeV), que es una energía a la que ningún acelerador de partículas puede llegar; es muy alta comparada con lo que se alcanza en el CERN, por ejemplo. Es la única manera de entender la física de altas energías.

Pero quizás lo más importante es que para entender las ondas gravitacionales, en las ecuaciones se necesita hacer lo que se llama una “cuantificación del campo gravitacional” (unificar las tres fuerzas fundamentales de la naturaleza, con la relatividad general, que describe la gravedad). La gravitación cuántica es el problema más grande de la física desde hace 70 años o más. Si encontramos los modos B, sería la primera prueba experimental de que la gravitación es de naturaleza cuántica. Y eso sería una revolución total. Todos los físicos pensamos que, de una manera u otra, la gravitación es cuántica, pero no tenemos ninguna prueba.

–¿Si no logran detectar los modos B de polarización, habría que descartar la inflación?

–No, la inflación no es solo un modelo, es una hiperfamilia de modelos, es más una manera de producir propiedades del universo. El universo no tiene curvatura o una curvatura muy  pequeña (por ejemplo, si la Tierra midiera dos kilómetros se vería muy bien que hay curvatura, pero como mide decenas de miles de kilómetros no se advierte y hay mucha gente que porque no la ve piensa que no existe…). La inflación produce eso por la modificación muy rápida del espacio. También es la única manera de producir las fluctuaciones primordiales de densidad en el universo. Entonces, no medir señal al nivel que Qubic va a llegar en cuatro años va a “matar” una gran familia de modelos y vamos a tener que ir a modelos de inflación un poco más complicados.

–Suponiendo que sí confirma los modelos, ¿se sabe por qué en esa fracción infinitesimal de segundo después del Big Bang se produjo la inflación?

–Esa precisamente es la física que queremos explorar. No hay certezas. La idea de la inflación es que a una energía bastante alta, habría un campo cuya partícula mediadora se llama “inflatón”, que sería dominante en el comienzo del universo; sería "el abuelo de nuestras partículas". Y este inflatón, si es dominante, si tiene ciertas propiedades matemáticas, va a producir una expansión exponencial del universo. ¿Por qué? Bueno, no sabemos. Hay modelos con física muy exótica. Por ejemplo, un universo con muchas dimensiones o que se comprime. Otro donde el estado natural es la inflación. Expansión en todas partes, hasta que en un momento y un lugar, la inflación para y surge un universo como el nuestro. Ese es un modelo donde hay un montón de universos que están totalmente separados unos de los otros. Todo eso es muy teórico, nunca tendremos forma de medirlo… Los físicos teóricos tienen una imaginación muy grande, pero de eso se trata su trabajo. ¡Es lo que queremos que hagan!

–Mientras las ecuaciones sean consistentes…

–Sí, exactamente. El trabajo de los teóricos es hacer nueva física. Explorar la física exótica, cambiando las leyes un poco porque no sabemos hasta qué nivel las que hoy aceptamos son correctas. Hay un universo infinito de posibilidades teóricas. Y eso es bueno, pero significa que es posible que no haya habido inflación, que la inflación sea distinta. Así es la física. No sabemos y tratamos de entender midiendo. Una medición es sólo una manera de proyectar la infinitud de posibilidades teóricas en la realidad. Y en eso, el Qubic y los otros proyectos que están tratando de dilucidar este problema tienen un rol muy importante. Después de 15 años de esfuerzos, haber logrado instalarlo en la montaña es fantástico.