El CERN presenta el sucesor del LHC

Por: Davide Castelvecchi

El CERN ha dado a conocer su audaz sueño para suceder al Gran Colisionador de Hadrones (LHC): un acelerador casi cuatro veces más largo y hasta seis veces más potente. El laboratorio europeo de física de partículas ha descrito el proyecto en un informe técnico publicado el pasado 15 de enero.

El informe presenta varios diseños preliminares para el llamado «Futuro Colisionador Circular» (FCC), que de llevarse a cabo se convertiría en el acelerador de partículas más potente jamás construido. Las propuestas abarcan distintos diseños, con costes que oscilarían entre los 9000 y los 21.000 millones de euros. El documento supone la propuesta inicial del laboratorio en el proceso conocido como Revisión de la Estrategia Europea en Física de Partículas, la cual se llevará a cabo durante los próximos dos años y cuyas decisiones marcarán el futuro de la disciplina durante la segunda mitad del siglo.

«Se trata de un gran salto, parecido a la planificación de un viaje a Marte, aunque no a Urano», ejemplifica Gian Francesco Giudice, director de la División de Teoría del CERN y representante del laboratorio en el Grupo Preparatorio de Física del mencionado proceso de revisión estratégica.

Tras el histórico hallazgo del bosón de Higgs en 2012, el LHC no ha descubierto ninguna nueva partícula más. Dicha situación apunta a la necesidad de aumentar lo máximo posible la energía del nuevo acelerador, señala Giudice. «Hoy por hoy, explorar la mayor energía posible con un proyecto audaz constituye nuestra mejor baza para descubrir algunos de los misterios de la naturaleza a su nivel más fundamental», señala el experto.

El potencial de una máquina como el FCC es «muy emocionante», asegura Halina Abramowicz, física de la Universidad de Tel Aviv y directora del proceso estratégico europeo. La investigadora añade que el potencial del FCC se discutirá en profundidad y se comparará con el de otros proyectos. Finalmente, el Consejo del CERN, que incluye a científicos y delegados gubernamentales de los países miembros, será quien tome la decisión sobre si financiarlo o no.

¿DEMASIADO CARO?

No todos están convencidos de que semejante superacelerador sea una buena inversión. «No hay ninguna razón para pensar que debería haber nueva física en el régimen de energías que alcanzará un colisionador así», apunta Sabine Hossenfelder, física teórica del Instituto de Estudios Avanzados de Fráncfort. «Esta es una pesadilla que ronda en la cabeza de todo el mundo pero de la que nadie quiere hablar.»

Para Hossenfelder, el gran coste que supondría la nueva instalación estaría mucho mejor invertido en otro tipo de proyecto de gran calado, como colocar un gran radiotelescopio en el lado oculto de la Luna o lanzar al espacio un detector de ondas gravitacionales. Para la investigadora, ello sería una apuesta más segura en términos de retorno científico.

Michael Benedikt, físico del CERN que ha dirigido el informe del FCC, replica que construir semejante superacelerador sería positivo con independencia de los resultados científicos que quepa esperar. «Estos proyectos a gran escala constituyen un gran motor de arranque para establecer redes y conectar instituciones entre países y fronteras. En conjunto, todo ello es un argumento muy bueno para impulsar esta clase de proyectos científicos únicos.» Por su parte, Hossenfelder replica que lo mismo podría argumentarse de cualquier otro gran proyecto científico.

LAS OPCIONES

Según el CERN, el estudio sobre el FCC comenzó en 2014 y ha implicado a más de 1300 colaboradores, quienes se han beneficiado de la contribución económica del plan Horizonte 2020, el programa marco de la Comisión Europea para la financiación de la investigación. La mayor parte de los escenarios contemplan la construcción de un anillo subterráneo de unos 100 kilómetros de longitud, el cual se excavaría junto al ya existente del LHC, de unos 27 kilómetros. El coste del nuevo túnel y la infraestructura relacionada ascendería a unos 5000 millones de euros.

A partir de ahí las posibilidades difieren. Una de ellas sería usar el nuevo túnel para instalar un colisionador de unos 4000 millones de euros, el cual haría chocar electrones y positrones con una energía de hasta 365 gigaelectronvoltios (GeV). Aunque esa cifra es menor que la energía total de diseño del LHC (14.000 GeV, o 14 teraelectronvoltios, TeV), las colisiones entre electrones y positrones permitirían estudiar las propiedades de las partículas conocidas, como el bosón de Higgs, con una precisión imposible de alcanzar en un colisionador de protones como el LHC. (Al contrario que los electrones, los protones son partículas compuestas de quarks, por lo que, aunque permiten alcanzar energías mayores, sus choques generan procesos mucho más «sucios» y difíciles de analizar.) Dicho programa de investigación comenzaría hacia 2040, después de que el LHC hubiese concluido sus operaciones.

Para relevar al LHC, hace tiempo que los físicos vienen considerando la idea de construir un gran Colisionador Lineal Internacional (ILC), el cual también haría chocar electrones y positrones. En 2012 Japón se lanzó a acoger el proyecto. Sin embargo, el hecho de que desde entonces el LHC no haya descubierto ningún fenómeno inesperado ha enfriado los ánimos. Ello es debido a que el ILC solo alcanzaría la energía necesaria para estudiar con detalle el bosón de Higgs, pero no para producir nuevas partículas que pudieran existir a energías mayores. El próximo 7 de marzo, el Gobierno japonés deberá decidir si alberga o no la construcción del ILC.

Otra opción recogida en el nuevo informe del CERN propone poner en marcha un colisionador protón-protón (es decir, como el LHC) de 100 kilómetros de longitud y que, con un coste de 15.000 millones de euros, alcanzaría una energía de hasta 100 TeV, mucho mayor que la energía de diseño del LHC. Con todo, lo más probable es que el colisionador de electrones y positrones se construyese primero y que, hacia 2050, el mismo túnel se aprovechase para levantar la máquina protón-protón. Sea como fuere, esa instalación buscaría partículas completamente nuevas y más masivas que cualquiera de las ya conocidas, por lo que sería necesario alcanzar energías mayores para producirlas.

Ese futuro colisionador de hadrones apenas sería un 15 por ciento más largo que el Supercolisionador Superconductor (SCC), un proyecto estadounidense que fue abandonado en los años noventa, cuando sus túneles estaban a medio construir. No obstante, debido a las mejoras técnicas logradas desde entonces —en particular, en lo que respecta a los imanes superconductores encargados de «doblar» la trayectoria de los protones a lo largo del anillo—, un FCC hadrónico haría chocar partículas al doble de energía que la que habría alcanzado el SCC.

En cualquier caso, todo lo anterior aún exigiría mucha investigación y desarrollo, lo que constituye una razón más para construir primero la máquina de menor energía. «Si tuviéramos un túnel de 100 kilómetros listo para mañana, podríamos comenzar a construir de inmediato el colisionador de electrones y positrones con la tecnología existente», sostiene Giudice. «Pero los imanes que necesitaría un acelerador de 100 TeV requieren más investigación y desarrollo.»

COMPETIDOR CHINO

Wang Yifang, director del Instituto de Física de Altas Energías de la Academia China de Ciencias, dice que no duda de la capacidad del CERN para llevar adelante un proyecto de esas características. «El CERN tiene una larga historia de éxitos. Tiene capacidad tecnológica, talento en la gestión y buenas relaciones con los Gobiernos.»

Wang, que lidera la planificación de un proyecto similar en China, dice que ambos han llegado a conclusiones muy similares en lo que respecta a los objetivos científicos y a la viabilidad técnica. En particular, ambos encuentran razonable comenzar construyendo un acelerador electrón-positrón primero, para pasar luego a un colisionador de hadrones.

Gran parte del coste adicional que supondría un colisionador de hadrones provendría de los potentes imanes superconductores y de los grandes sistemas criogénicos de helio para mantenerlos fríos. Un FCC hadrónico exigiría desarrollar, construir e instalar imanes de unos 16 teslas basados en una aleación superconductora de niobio y estaño. Estos serían unas dos veces más potentes que los que emplea el LHC y funcionarían a temperaturas solo ligeramente superiores. China, por su parte, está investigando superconductores basados en hierro que, aunque menos estudiados, podrían operar a temperaturas mayores. «Si fuera posible trabajar a 20 kelvin, el ahorro sería enorme», asegura Wang.

Con todo, y aunque los físicos de partículas puedan estar de acuerdo en que el mundo necesita un colisionador de100 kilómetros, no está nada claro que hagan falta dos. Quienquiera que consiga poner primero en marcha su proyecto probablemente acabe por retraer al otro. En todo caso, cualquiera de los colisionadores abrirá sus experimentos a la comunidad internacional, señala Wang, por lo que en términos científicos no importará cuál de ellos acabe construyéndose.