Adiós al acelerador de partículas que fue el bebé de mi padre

La semana pasada, los técnicos del Laboratorio Nacional de Argonne comenzaron a desmontar un acelerador de partículas conocido como Fuente Avanzada de Fotones (APS), un anillo de 1,1 kilómetros de diámetro que desde 1995 ha brillado como una de las fuentes de rayos X más brillantes del mundo. Difícilmente es el final para la instalación, que anualmente atiende a casi 6000 científicos de una miríada de campos. Dentro de un año, los trabajadores reemplazarán el acelerador de electrones por uno nuevo que aumentará la intensidad de los haces de rayos X de salida del APS en un factor de 500. Se rejuvenecerá una importante instalación científica. Eso no es inusual.

Para mí personalmente, sin embargo, el desmantelamiento del APS original evoca fuertes emociones. Mi padre, Yanglai Cho, era un físico de aceleradores que pasó toda su carrera en Argonne, un laboratorio del Departamento de Energía (DOE) en las afueras de Chicago. Hace cuarenta años, dirigió el pequeño equipo que elaboró ​​el diseño conceptual de la máquina. En mi mente, era su bebé. Cuando papá murió en 2015 a los 82 años, 4 años después de un derrame cerebral devastador, me consoló pensar que seguía viviendo en ese acelerador. Ahora, también se habrá ido.

Era un adolescente cuando, a principios de la década de 1980, mi padre comenzó a reflexionar sobre el acelerador. Lo quería mucho, pero, como mucha gente, tenía una relación complicada con mi padre. Podía ser tiránico y exigente, egocéntrico y distante. "No me importa lo que hagas siempre y cuando seas el mejor en eso", me decía a mí oa uno de mis dos hermanos y luego nos dejaba solos. En ese entonces, el APS era esa cosa misteriosa que ocupaba su tiempo y su mente.

Seguí a mi padre a la física, y finalmente obtuve un doctorado. Sin embargo, mi camino me llevó al periodismo científico. En los últimos 20 años, he escrito sobre muchas grandes instalaciones científicas, desde colisionadores de átomos y detectores de ondas gravitacionales hasta láseres de rayos X y fuentes de neutrones. Nunca he construido nada, pero he aprendido algunas cosas sobre lo que se necesita para crear estas máquinas a menudo asombrosas. Y eso me ha ayudado a entender mejor a mi padre.

"Era un físico acelerador excelente y visionario, y transformó muchas máquinas grandes en Argonne y en otros lugares", dice un exfuncionario del DOE que todavía consulta para la agencia y, por lo tanto, pidió no ser identificado. "También fue un maravilloso colega y maestro". Después de haber chocado con mi padre tantas veces, me maravillo de esa última evaluación. Sin embargo, al pensar en su trabajo, he llegado a apreciar cómo un inmigrante surcoreano con un marcado acento y un temperamento fogoso podía prosperar en un campo inusual y exigente.

Al igual que los otros 70 sincrotrones de rayos X del mundo, el APS convierte lo que era una molestia en un poderoso recurso para estudiar materiales. Acelera electrones dentro de un tubo de vacío largo a alta energía y casi a la velocidad de la luz, mientras que los imanes los dirigen alrededor del anillo. El haz de electrones que circula irradia rayos X, del mismo modo que una toallita mojada gira sobre su cabeza y arroja gotas de agua. Esa radiación de sincrotrón agota la energía de los electrones, por lo que cuando los aceleradores se construyeron solo para experimentos en física de partículas, era un desperdicio inevitable.

En la década de 1960, los científicos comenzaron a desviar la radiación de rayos X de los aceleradores de electrones para estudiar materiales, por ejemplo, midiendo sus espectros de absorción. Las primeras fuentes dedicadas importantes surgieron en la década siguiente. El APS lideró una ola de fuentes de tercera generación más grandes y de mayor energía, junto con la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Grenoble, Francia, y la instalación SPring-8 en Hyogo, Japón. En comparación con fuentes anteriores, la máquina de Argonne produjo haces de electrones más compactos que generaron rayos X mucho más intensos. También empujó al régimen de rayos X duros, aquellos con longitudes de onda más cortas que 0,1 nanómetros, que son ideales para probar la estructura a escala atómica de un material. Repone sus electrones no cada 12 horas, sino cada 30 segundos, manteniendo constante la intensidad de los haces de rayos X.

En la práctica, el APS ayudó a revolucionar la confiabilidad de las fuentes de rayos X, dice David Moncton, físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts que fue director asociado de laboratorio de Argonne para el APS de 1987 a 2001. Anteriormente, las máquinas más perspicaces operarían entre 50 % y 75% del tiempo disponible, molestando a los funcionarios que intentan programar a los usuarios de una instalación. El APS elevó ese factor de confiabilidad al 99%, dice Moncton. "Si solo compra equipos, los arma y cruza los dedos, no terminará con una máquina que funcione el 99% del tiempo".

Tales atributos han hecho de la APS una fuente de descubrimiento. Quizás lo más sorprendente es que este y otros sincrotrones de rayos X de tercera generación han revolucionado el estudio de la estructura y función de las proteínas y otras biomoléculas, dice Helen Berman, bióloga estructural de la Universidad de Rutgers y cofundadora del Banco de Datos de Proteínas global. (PDB). Antes de probar las moléculas con rayos X, los biólogos estructurales deben cristalizarlas, una ardua tarea. Berman dice que el APS y otras fuentes de tercera generación proporcionaron "la capacidad de tomar datos con una fuente de rayos X muy intensa y usar cristales mucho más pequeños".

De las 201.000 estructuras proteicas del PDB, el 72 % proceden de sincrotrones de rayos X. De ellos, 30 466 provienen del APS: el 51 % del rendimiento de los sincrotrones estadounidenses. Los datos del APS ayudaron a ganar dos premios Nobel de Química: en 2009, por estudios de la función y estructura del ribosoma, la maquinaria de producción de proteínas de la célula; y en 2012, para estudios de proteínas de membrana celular llamadas receptores acoplados a proteína G. La APS ayudó a determinar la estructura del virus SARS-CoV-2, que causa el COVID-19, y a desarrollar Paxlovid, un medicamento que se usa para tratarlo.

El APS admite muchos otros tipos de trabajo, como vi el mes pasado cuando caminé por su amplia sala experimental con forma de túnel. Dentro de las 68 estaciones finales experimentales de la instalación, los científicos están analizando las propiedades cuánticas de los materiales magnéticos, desarrollando adhesivos inspirados en la biología e incluso estudiando cómo cambia la estructura a escala atómica de las baterías de plomo-ácido a medida que funcionan, un estudio que fue posible gracias a la intensidad de las radiografías del APS.

Todo esto fue un destello en los ojos de los científicos cuando mi papá comenzó a pensar en el acelerador, al que quería llamar Phoebus, por el dios griego del sol. En 1983, estaba ayudando a reparar un sincrotrón de rayos X más pequeño y problemático llamado Aladdin en la Universidad de Wisconsin-Madison cuando un panel de revisión publicó un informe que abogaba por una fuente de rayos X duros más grande. Sentado en la sala de control de Aladdin, mi padre leyó el informe y luego regresó rápidamente a Argonne para instar a los funcionarios del laboratorio a financiar la investigación y el desarrollo de la máquina y presionar para que Argonne la albergara, dice Moncton.

El laboratorio necesitaba con urgencia un proyecto así. Una vez tuvo un próspero programa de física de partículas, que es lo que atrajo a mi padre. Pero en 1979, Argonne apagó su acelerador de protones, que había sido reemplazado por uno mucho más grande y nuevo en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de Fermi, a 50 kilómetros de distancia. "El laboratorio estaba luchando por una misión", dice Moncton. "Yang pensó de inmediato que este era un buen proyecto potencial y que tenía el tamaño para llevar el laboratorio a su futuro".

El proyecto también le dio a mi padre algo que necesitaba personalmente. Como la mayoría de nosotros, era un revoltijo de piezas de rompecabezas que no encajaban. Podía ser irritable en un momento y ridículamente indulgente al siguiente. Mis padres se habían divorciado cuando yo era joven, pero él era una presencia constante, entrando en la casa de nuestra madre cuando le placía. Había contraído polio cuando era niño y tenía una pierna atrofiada. Sin embargo, le gustaba llevarnos a jugar a los bolos, aunque a veces se caía. Le encantaba salir a almorzar y, curiosamente, le gustaban las películas de John Wayne. Pero, en general, después del divorcio parecía infeliz.

El intenso esfuerzo de diseñar la nueva máquina lo revitalizó. El equipo estaba formado por mi padre; Gopal Shenoy, científico de materiales en Argonne que murió en 2017; y una docena más. En una mesa de elección en la cafetería de Argonne, mi padre colocó un letrero, "Reservado para el personal de APS", y lo reemplazó cuando los trabajadores de la cafetería lo quitaron repetidamente. En 1985, el equipo de fútbol de los Chicago Bears ganó un campeonato. Papá trajo un televisor para que los investigadores pudieran estar al tanto de los juegos mientras trabajaban los domingos.

El equipo tardó 3 años en completar el diseño conceptual. Exactamente lo que hizo mi padre sigue siendo un misterio para mí. Como físico de aceleradores, entendió cómo los electrones navegan por las ondas de radio para ganar energía, los campos magnéticos enfocan esas partículas, las resonancias pueden destruir un haz y la propia radiación de sincrotrón hace que los electrones se muevan. Pero tenía que convertir ese conocimiento en un diseño viable. Su equipo especificó la miríada de parámetros que definían el APS: la energía del haz, el radio del anillo, la cantidad de racimos de electrones en el haz, la disposición de los imanes, la frecuencia de las ondas de radio, etc.

El primer objetivo era hacer posible el haz de electrones más compacto, que luego irradiaría los haces de rayos X más brillantes, dice John Galayda, un físico acelerador que trabajó en el APS. El rayo tampoco podía moverse, dice. Un diminuto haz de electrones irradia un diminuto haz de rayos X, que puede sondear muestras minúsculas, siempre que dé en el blanco de forma consistente. Finalmente, la máquina tenía que funcionar de la forma más fiable posible.

Los diseñadores de máquinas deben lograr un delicado equilibrio. El diseño no puede ser tan ambicioso que la máquina no pueda construirse. Pero no puede ser tan cauteloso que simplemente replique lo que ya existe. Entonces, un diseño invariablemente contiene elementos que los constructores aún no saben cómo hacer. "Todas las instalaciones en las que he estado involucrado, han sido muchas, fueron únicas, primeras en su tipo", dice el exfuncionario del DOE. "Y eso significa que hay enormes problemas técnicos que aún no se han resuelto".

Aparentemente, mi padre era bueno para identificar lo que, con esfuerzo, se podía lograr. "Miraba lo que hacían otros proyectos y lo usaba y lo mejoraba", dice Marion White, física de aceleradores en Argonne y viuda de mi padre. "Era increíblemente bueno en eso".

Por supuesto, un líder de proyecto también debe gestionar personas. Y ahí es donde mi padre luchó. Su estilo autocrático funcionó desde el principio, cuando el personal del proyecto estaba formado por unos pocos elegidos por ellos mismos. Se volvió menos efectivo a medida que el esfuerzo se volvió más formal y aumentó a cientos de personas. "Él organizaba una reunión y luego había gente que entraba en mi oficina y decía: 'No puedo soportarlo más'", recuerda Moncton. Entonces, en 1991, cuando la construcción se aceleró, un físico llamado Ed Temple reemplazó a mi padre como director del proyecto.

Sin embargo, mi padre permaneció profundamente involucrado en el proyecto. Presidió el comité que debía aprobar cualquier modificación al diseño final. "Sería bastante duro con eso", dice Galayda. "Creo que lo vio como un proceso contradictorio". Como con cualquier máquina, hubo que hacer algunos cambios, más o menos dolorosos. Sin embargo, el APS llegó dentro del presupuesto de $ 467 millones y antes de lo previsto.

Para mí, parecía que mi padre tenía sus dedos en casi todos los aspectos de la instalación. Por ejemplo, el piso de concreto de 90,000 metros cuadrados del APS no tiene costuras de expansión. Los contratistas instaron a incluirlos para evitar que el piso se agriete, dice Moncton, pero el equipo de diseño insistió en que la estabilidad del piso era más importante que las grietas superficiales. Recuerdo a mi padre hablando de los puntos más finos de los pisos de concreto durante el almuerzo.

Ahora, los trabajadores están desmantelando la máquina de papá para reemplazarla con un diseño de "cuarta generación". La nueva máquina duplicará la corriente en el anillo a 200 miliamperios. Más importante aún, su haz de electrones será aún más compacto, dice Jim Kerby, ingeniero mecánico de Argonne y director del proyecto de $815 millones. El haz del APS original medía 10 micrómetros de alto y 275 micrómetros de ancho. El haz del nuevo APS medirá 3 micrómetros de alto y 15 micrómetros de ancho, menos que el ancho de un cabello humano.

Ese encogimiento sutil depende de una diferencia clave entre las dos máquinas, dice Kerby. En el antiguo APS, el haz siempre se inclinaba hacia adentro, hacia la derecha. En el nuevo diseño, ocasionalmente se doblará hacia afuera, hacia la izquierda. Estos problemas dan lugar a nuevas dinámicas que encogen el haz, un enfoque pionero en las instalaciones de MAX IV en Suecia y desplegado en una reconstrucción del ESRF completada en 2020.

El esquema requiere un acelerador casi completamente nuevo. Los trabajadores reemplazarán los imanes APS originales con 1321 nuevos y cambiarán todo el sistema de vacío. "Estamos cambiando esencialmente todo el anillo", dice Kerby. La transformación tomará solo 1 año. "Siempre ha sido un resultado del proyecto que el tiempo de inactividad sea tan breve como sea humanamente posible", dice Kerby. Para entonces la máquina de mi padre será un recuerdo.

Pero mi padre mismo estaba pensando en nuevas máquinas incluso antes de que se encendiera el APS. A fines de la década de 1990, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge comenzó a construir la fuente de neutrones por espalación (SNS), que golpea un haz de protones en un objetivo de mercurio para generar neutrones para estudiar materiales. El proyecto tuvo problemas y el DOE casi lo canceló, dice Thom Mason, director del Laboratorio Nacional de Los Alamos, quien fue director del proyecto SNS de 2001 a 2008. Moncton, White, mi padre y otros fueron a Oak Ridge para ayudar.

Mi padre dirigió el equipo que hizo un cambio de diseño clave, dice Mason. El plan original para el SNS requería un acelerador lineal convencional hecho de cavidades de aceleración de cobre. El equipo cambió a un diseño novedoso con cavidades hechas de un metal superconductor, que prometía ser más eficiente, confiable y flexible desde el punto de vista energético. "Como resultado, terminamos construyendo el primer acelerador de protones superconductor en lugar del último normal", dice Mason.

Mi padre consultó sobre proyectos de aceleradores en Corea del Sur, Alemania, Japón y otros lugares, encontrando su nicho en la extraña comunidad de constructores de máquinas científicas. Se había criado en la pobreza extrema en lo que ahora es Corea del Sur, entonces ocupada por Japón. Llegó a los Estados Unidos cuando tenía 24 años y no regresó a casa durante 17 años. Ya sea por las diferencias culturales, su discapacidad o su temperamento, a menudo era un extraño.

Sin embargo, no cuando estaba entre sus colegas. Lo más feliz que vi a mi padre fue cuando jugaba con sus nietos. Un segundo cercano fue cuando se codeaba con sus colegas. Al menos algunos de ellos también disfrutaban de su compañía. "Para mí, trabajar con tu padre fue una experiencia maravillosa", dice Giorgio Margaritondo, físico de EPFL, anteriormente el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana, quien se asoció con él en Aladdin.

De hecho, mi padre se las arregló para encontrar una comunidad en la que pudo tener éxito no a pesar de su personalidad quisquillosa, sino, hasta cierto punto, gracias a ella. "Construir un acelerador es una tarea muy compleja con muchas subtareas y mucha coordinación, etc., por lo que debe ejecutarse casi de manera militar", dice Margaritondo. "Hay un elemento que es absolutamente necesario para que alguien sea un líder que debe ser respetado. Tu padre realmente inspiraba el respeto de los colaboradores".

Pensando en el trabajo de mi padre, también me doy cuenta de cómo él y yo diferimos en un aspecto importante. No pude hacerlo como físico en parte debido a mi pesimismo reflexivo. Cuando me enfrento a algún esquema complejo, tiendo a responder: "Eso nunca funcionará". En cambio, mi padre tenía la confianza para dividir en partes una propuesta técnica apenas concebible, identificar los obstáculos e idear formas de superarlos. "Era la persona más optimista que he conocido", dice White.

En virtud de ese optimismo, mi padre ayudó a crear instalaciones que han permitido a miles de científicos explorar el mundo natural, en beneficio de todos nosotros. Ese legado es mucho menos concreto, pero mucho más importante que cualquier acelerador en particular. Entonces, eso es a lo que me aferraré ahora.