Opinion · Un poco de ciencia, por favor

Los beneficios de invertir en ciencia: el ejemplo del Gran Colisionador de Hadrones

Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

Esta noche se celebra la décima edición de “La noche europea de los Investigadores“, ocasión más que propicia para recordar que invertir en ciencia reporta grandes beneficios a las sociedades que apuestan por ella. No hay más que repasar la lista de países con presupuestos más elevados en I+D para darse cuenta de que esto es una obviedad. Ahora bien, cuando se piensa en la inversión en máquinas como el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider, LHC en lo que sigue) que pretende indagar en los componentes de la materia, en el origen del universo, surgen dudas acerca de la necesidad y/o idoneidad de tal inversión, nada desdeñable. En efecto, el presupuesto de construcción del LHC fue de unos 5.000 millones de euros, su mantenimiento anual, 1.100 millones. En un artículo reciente he descrito con cierto detalle los objetivos y las características científicas y técnicas del LHC. En este artículo justificaré la idoneidad de tal inversión y me detendré en el análisis de los beneficios de toda índole que se obtienen con una máquina de estas características.

El primer beneficio y sin duda el más intangible es satisfacer la curiosidad y el conocimiento. Mal empezamos, podrán decir los detractores de esta clase de experimentos, si se destinan miles de millones de euros a satisfacer una “simple” curiosidad. Un poco de paciencia, por favor, voy a detallar los beneficios palpables que aporta tanto a España como a la comunidad internacional, que  agruparé en cinco grandes áreas:

1. Formación y conocimiento
España es miembro del organismo supranacional que gestiona el funcionamiento del LHC, el CERN (Centro Europeo de Investigación Nuclear) desde 1983 y aporta el 8.5% del presupuesto, lo que nos convierte en el quinto contribuyente, detrás de Alemania, Reino Unido, Francia e Italia.

Más de una decena de Universidades y Centros de Investigación nacionales participan en él. El número de científicos y técnicos españoles que trabajan directamente en el CERN es superior a 900, de los cuales cerca de 200 lo hacen en el LHC, pertenecientes a ámbitos diversos (física de partículas, electrónica, informática,…). El paso por el CERN implica alcanzar un grado de especialización y de interconexión con otros científicos de todo el mundo verdaderamente excepcional. Los conocimientos adquiridos en un experimento de tal magnitud revierten a los centros de investigación y universidades en forma de proyectos de investigación conjuntos, programas de doctorado de vanguardia, etc.

España tiene a la cabeza de uno de los experimentos que integran el complejo de las instalaciones del CERN (ISOLDE) a una reputada científica, María José García Borge que reúne entre sus múltiples méritos ser doctora Honoris Causa por la Universidad de Chalmers (Göteborg, Suecia); no hay muchos científicos españoles que puedan lucir tal distinción, pero como tantas otras cuestiones relacionadas con la ciencia en España, pasa completamente desapercibida.

2. Participación y retornos industriales en diferentes áreas: tecnologías de vacío, electrónica, bajas temperaturas, nuevos materiales…
El funcionamiento del LHC implica sinergias de numerosas tecnologías. La puesta en marcha del acelerador implicó en su momento una innovación sin precedentes en la tecnología de aceleradores y de detectores; así como en las áreas de computación y de la electrónica, de manera que algunos de los grandes beneficios de la participación en el LHC son las innovaciones tecnológicas que dejó su construcción y que en la actualidad tienen aplicación en diferentes áreas de la ciencia y la tecnología.

Desde que finalizó la construcción de la máquina en 1998 y hasta 2013, las empresas españolas implicadas han obtenido contratos por valor de más de 250 millones de euros. España es el quinto Estado miembro del CERN en retornos industriales procedentes de su participación en el LHC, obteniendo el 6,5% del total de los contratos. En la construcción y mantenimiento del LHC y sus experimentos participan 70 empresas españolas en diversos ámbitos: Ingeniería civil y eléctrica (construcción de la caverna que alojan los detectores); Ingeniería mecánica (soportes de fibra de carbono para los imanes); Tecnologías de vacío y baja temperatura (cámaras de vacío, criostatos de los detectores, módulos de servicio de la línea criogénica); Electrónica (sistema de control de la línea criogénica); Servicios diversos, etc. El lector interesado puede encontrar en la nota a pie de página de este artículo más detalles de las empresas involucradas [1].

Hay múltiples sectores industriales que aprovechan los conocimientos y el “know-how” adquirido en el CERN: se utilizan rayos X en puertos y aeropuertos para el análisis de los equipajes, en la industria alimentaria para el estudio de la composición de los alimentos; la criogenia o tecnología del frío se usa para mejorar las técnicas de conservación de los alimentos; los materiales superconductores tienen aplicación en campos tales como los trenes de levitación magnética o el transporte eficiente de la energía eléctrica. Se emplea radiación sincrotrón en varias fases del desarrollo de fármacos, para determinar la estructura de proteínas, etc.

Mención aparte merecen las aplicaciones en medicina, que por su especial importancia detallaré en un punto posterior.

3. Tecnologías de la información: La 3W
A lo largo de su historia, el CERN ha demostrado que sus descubrimientos tienen aplicaciones tan cotidianas y fundamentales como la Red. No es muy conocido, pero fue precisamente allí donde nació la World Wide Web, cuyo primer sitio fue http://info.cern.ch

La World Wide Web se inventó y desarrolló en el CERN en 1989 por parte de Tim Berners-Lee. La idea original fue satisfacer la necesidad de compartir información entre científicos trabajando en universidades repartidas por todo el mundo. Pocos años después, el 30 de abril de 1993, el CERN permitió el acceso libre al software de la WWW, como la forma más segura de garantizar su extensión por el planeta. La figura muestra el aspecto de esa primera web:

Primera-página-web

Aspecto de la primera página web, creada en el CERN

En la actualidad, para analizar los resultados que genera el LHC, los científicos necesitan una potencia de cálculo inédita y a la vez una descentralización de los procedimientos para analizarlos. Incluso para un mismo experimento, se necesitan varios equipos de científicos que procesan los mismos datos para realizar sus propios análisis. Se necesita disponer de una estructura de análisis muy distribuida entre los distintos centros y a la vez con una capacidad de análisis muy potente por parte de cada uno de los grupos.

Esto se consigue hoy en día mediante la red Worldwide LHC Computing Grid (WLCG) una colaboración global de más de 170 centros de computación distribuidos en 42 países, con unos 150.000 ordenadores conectados al proyecto que ponen en común todas sus capacidades de conexión en red. La misión del WLCG es proporcionar capacidad de almacenar, distribuir y analizar del orden de 30 Petabytes (30 millones de Gigabytes; un Gigabyte son 1.000 millones de bytes) de datos que se generan cada año en el LHC. Esa capacidad de análisis luego se puede transferir a otras ramas del conocimiento y de la industria que pueda necesitarla (la industria aeronáutica, la meteorología, la biomedicina,…). En un futuro no muy remoto, todos estos avances alcanzaran a la sociedad, como en su día hizo la WWW. De hecho, WLCG puede considerarse un estadio superior a la WWW.

4. Medicina: terapia hadrónica
La aplicación de las tecnologías desarrolladas en aceleradores de partículas a la Medicina es una de las áreas de mayor interés. En efecto, en el campo de las técnicas de diagnóstico por imagen, la técnica PET (Positron Emission Tomography, Tomografía de Emisión de Positrones) es heredera directa de los aceleradores y junto con el TAC (Tomografía Axial Computerizada) es una de las técnicas de diagnóstico más precisas que existen en la actualidad. Se estima que el mercado mundial relacionado con la imagen médica mueve 10.000 millones de euros al año, creciendo un 10% anual.

Por otra parte, en el tratamiento de enfermedades, principalmente el cáncer, las técnicas de radioterapia que aprovechan las experiencias adquiridas en máquinas como el LHC están a la cabeza. Entre estas, destaca la terapia de protones o terapia hadrónica, un tipo de radioterapia que usa un haz de protones para irradiar los tejidos afectados por un tumor. La principal ventaja de la terapia hadrónica, comparada con la radioterapia convencional de rayos X, es la posibilidad de localizar la mayor parte de la dosis de radiación en la zona afectada por el tumor, manteniendo bajas las dosis que alcanzan a los tejidos sanos limítrofes. Esto es siempre deseable en cualquier tipo de tumor pero se vuelve prioritario en los tumores cerebrales, por razones evidentes. La terapia hadrónica traslada directamente a ese campo de la medicina los hallazgos de los grandes detectores utilizados para investigación básica. En Europa hay 14 instalaciones de terapia hadrónica que ya han atendido a más de 50.000 pacientes.

La figura ilustra las diferencias entre la terapia convencional de rayos X y la terapia hadrónica:

Teraoia

En la terapia de rayos X (línea negra), la mayor parte de la dosis de radiación se deposita en tejidos sanos alejados de la zona donde se localiza el tumor; en la terapia hadrónica (líneas roja y verde) es posible depositarla en el lugar exacto donde se encuentra este. En el ejemplo de la figura, el tumor esta localizado a 13-15 cm. en el interior del organismo

El LHC no es ni mucho menos el único acelerador de partículas del mundo; hay unos 30.000 aceleradores de diversos tipos distribuidos por el planeta. Aproximadamente 17.000 se usan en Medicina, en diversas ramas de la misma y alrededor de 10.000 están destinados a las diferentes terapias para combatir el cáncer. En España hay cerca de 250.

5. La cooperación internacional
El CERN y todas los grandes experimentos del LHC son unas de las “Agencias de Cooperación Internacional” más grandes del mundo; cooperación que se hace efectiva cada día. En la siguiente figura muestro un mapa de los países involucrados en el funcionamiento del CERN. Merece la pena destacar que países políticamente hostiles, como es el caso de Irán e Israel, colaboran dentro del CERN. Una contribución más de este enorme proyecto al beneficio de la humanidad.

Imagen1

Países directa o indirectamente vinculados al CERN. En colores, el grado de implicación, así como el número de países implicados: azul oscuro (miembros integrantes, 21); azul turquesa (candidatos, 2; Rumanía y Serbia); azul claro (observadores, 5); marrón (participantes en diferentes grados, 71)

            A modo de conclusión
En 1897 el físico británico J. J. Thompson descubrió el electrón, uno de los constituyentes del átomo. Varios años después, en 1934, le preguntaron acerca del interés que podía tener esa partícula, a lo que respondió con otra pregunta: “¿Podría algo parecer menos práctico que un cuerpo que es tan pequeño que su masa es una fracción insignificante de la masa de un átomo de hidrógeno?”

Sugiero la siguiente pregunta: ¿se imagina el mundo actual sin el papel que juega la electrónica en nuestra vida cotidiana? sin televisores, sin DVD, sin cámaras digitales, sin ordenadores, sin teléfonos móviles, sin…
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[1] La lista de las empresas participantes sería enorme. Citaré únicamente algunas de las más significativas:
Ingeniería civil: (Empresarios Agrupados, Dragados, Idom); Ingeniería eléctrica (Jema, Antec); Ingeniería mecánica (Duro Felguera, Asturfeito, Nortemecanica, Elay); Tecnologías de vacío y baja temperatura: (Telstar, The Vacuum Projects); Electrónica: (GTD, Crisa, Insyte, Saifor); Servicios (Iberinco, Sener, Intecsa-Inarsa).