El próximo acelerador gigante no estará en el CERN

Ilustración artística del futuro túnel del ILC. Rey.Hori/KEK

El LHC, el gran colisionador de partículas del Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN), ya tiene un sucesor: el ILC. Su inauguración está prevista para dentro de quince años, probablemente en Japón. Esto no significa el fin del laboratorio francosuizo, porque para descifrar los secretos de la materia se requiere un esfuerzo mundial.

ILC es la sigla de International Linear Collider (colisionador linear internacional). En el papel, esta nueva máquina de titanes, fruto de diez años de estudios que reunieron a más de 1.000 científicos e ingenieros de un centenar de universidades y laboratorios de más de 20 países, está lista. Los planes se presentaron oficialmente el pasado 12 de junio al Consejo del Comité Internacional para Futuros Aceleradores. La ceremonia se celebró en la Universidad de Tokio, en la sede ginebrina del CERN y en el Fermilab de Chicago, tres feudos de la física de partículas conectados por videoconferencia.

El ILC se compondrá de dos aceleradores lineares situados uno frente al otro. En él se harán chocar electrones y sus antipartículas (positrones) cargadas de energía. Las colisiones se producirán dentro de los detectores, en el centro de la máquina de 31 kilómetros de longitud. A pleno rendimiento, los paquetes de electrones y positrones chocarán 7.000 veces por segundo. Cada paquete contendrá 20.000 millones de partículas, concentradas en un espacio más reducido que el grosor de un cabello, por lo que el índice de colisión será muy elevado.

¿Por qué linear y no circular?

Si el LHC acelera partículas en un túnel circular, el ILC las hará chocar en uno rectilíneo. ¿Cuál es la ventaja? Si forzamos a una partícula a moverse en una trayectoria circular –cuando su desplazamiento natural es linear –, pierde energía al emitir luz. Una luz que se torna cada vez más violenta con la velocidad (hasta 10.000 veces la intensidad de un rayo de sol).

Es lo que se conoce como radiación de sincrotrón, que es inversamente proporcional a la masa de la partícula e igual a la potencia elevada a cuatro. En otras palabras: cuanto más pesada la partícula, menos energía pierde al girar. Por ende, es lógico construir aceleradores circulares para protones que van a perder mucha menos energía por radiación sincrotrón, y aceleradores lineares para los electrones, que son claramente más leves.

Tarta de cerezas, huesos de cereza y materia negra

El LEP -predecesor del LHC en el CERN-, cuya actividad se detuvo en 2000, también hacía chocar electrones y positrones. Entonces, la energía de estas colisiones se limitaba a 209 GeV (Gigaelectrones voltios). El ILC, en cambio, podrá alcanzar hasta 1.000 GeV en pleno rendimiento.

Más allá de la potencia, la gran ventaja de los colisionadores  de electrones y positrones reside en la precisión de los resultados. Y es que el electrón y el positrón son partículas elementares, mientras que los protones del LHC están compuestos de varias otras partículas, más pequeñas. Para ilustrarlo con una imagen que popularizó un físico japonés, es como si el LHC hiciera chocar rebanadas de una tarta de cerezas. La colisión produce un magma de masa, azúcar, fruta y, con un poco de suerte, a veces se puede observar el choque de dos huesos de cereza. El ILC, sin embargo, solo hará colisionar los huesos de cereza.

La metáfora de las rebanadas de tarta

© Sandbox Studio for Symmetry Magazine

¿Qué se pretende encontrar? No el famoso bosón de Higgs, que el LHC ya halló, a 126 GeV. De hecho, la nueva máquina será capaz de producir todas las partículas conocidas y permitirá estudiar cómo interactúan entre sí.

Pero esto no es todo. “Una de las maravillas del ILC reside, por ejemplo, en poder detectar la desintegración del bosón de Higgs en partículas de materia negra”, explica el físico François Le Diberder, de la Universidad de París 7, y miembro del comité europeo del ILC. “Se hacen chocar un electrón y un positrón cuya aniquilación va a producir simultáneamente un bosón Z y un Higgs, que se desintegran rápidamente. Pero se observa únicamente la desintegración del Z. Se mide la energía y la cantidad de movimiento de las partículas producidas y de ello se puede deducir la masa de lo que no vemos. Si la energía es igual a 126 GeV, tenemos la prueba de que el bosón de Higgs puede desintegrarse en partículas visibles”.

François Le Diberder, físico francés

Una de las maravillas del ILC reside, por ejemplo, en poder detectar la desintegración del bosón de Higgs en partículas de materia negra

Obtendríamos así una respuesta inicial a uno de los grandes enigmas de la física y de la cosmología. La materia normal, visible, solo forma aproximadamente el 4% de todo lo que existe en el universo. El 22% está hecho de materia negra y el 74% de energía negra. En el caso de la materia negra, hay razones plausibles para pensar que está constituida de partículas.

La energía negra, por el contrario, sigue siendo un “misterio total”, confiesa el físico francés. “La energía negra escapa completamente a toda tentativa de descripción en términos de física de partículas. Y a priori, el ILC no está hecho para resolver este enigma. A menos que nos llevemos una sorpresa”.

Japón en primera línea

Si el LHC se construyó en el antiguo túnel del LEP, a las puertas de Ginebra, en el territorio fronterizo entre Francia y Suiza, el ILC no está destinado para el CERN. “No hay probabilidad alguna de que el acelerador se construya aquí”, confirma Rolf-Dieter Heuer, director general de la institución. “Con el LHC nos basta y nos sobra. Por el momento, el único país candidato que, a mi juicio, podría construirlo en un plazo razonable es Japón. El gobierno de Tokio parece dispuesto e invertir fondos que provengan de otros sectores que la investigación”. Una ventaja nada desdeñable para una máquina valorada actualmente en cerca de 8.000 millones de francos suizos.

El comité nipón de apoyo al proyecto propone albergar el acelerador en un túnel, en las montañas de Kitakami, a cerca de 500 km al norte de Tokio. Los japoneses rebosan entusiasmo y alaban las ventajas del ILC en un filme de promoción, que muestra que en el país del sol naciente el Big Bang y la física de partículas se imparten desde la enseñanza preescolar. Nadie pone en duda que Japón dispone de los conocimientos científicos y tecnológicos necesarios. El Centro nipón para la Productividad ha calculado que el ILC aportará ingresos superiores a los 40.000 millones de dólares durante 30 años y generará 250.000 empleos, directos e indirectos.

Por el momento, la suerte no está echada. La decisión final se tomará solamente en 2015 y hay otros países en liza, como Alemania, Rusia y Estados Unidos. Además, no hay certeza sobre el tipo de organización que gestionará el futuro monstruo. “Esto dependerá de las discusiones a nivel de gobiernos que sobrepasan nuestras competencias”, explica Rolf-Dieter Heuer. “Por el momento, acabamos de emprender las negociaciones bilaterales entre Japón y otros países. ¿Será una estructura calcada en la del CERN, una filial del CERN? No lo sabemos. Pero sí está claro que no podrá ser una organización internacional, ni global”.

El ILC en dos minutos

© Rey.Hori/KEK

El CERN sigue siendo el CERN

El ILCE podría entrar en servicio entre 2025 y 2030, momento en que el CERN llega al fin de su vida. Pero sería erróneo ver en el primero una versión actualizada del segundo. De hecho, como recalca el director del CERN, las dos herramientas son complementarias: “Es como en la astrofísica: Observamos el cielo con telescopios de luz visible, telescopios infrarrojos, ultravioletas, radiotelescopios, y los necesitamos todos para tener una imagen completa. En nuestro caso ocurre lo mismo, los diferentes colisionadores examinan cuestiones similares, pero desde diferentes puntos de vista”.

¿Qué va ser del CERN sin su LHC, una vez que las miradas se tornen hacia Japón y el ILC? “En lo que respeta a los científicos e ingenieros, la sede de Ginebra no será muy diferente de lo que es hoy”, explica Rolf-Dieter Heuer. “Participaremos desde aquí en los experimentos del ILC, analizaremos los datos y trabajaremos en el sucesor del ILC. Desde que se fabrican aceleradores gigantes, hemos tenido el LEP, luego el límite de potencia pasó al Tevatron del Fermilab para regresar al CERN con el LHC. Pienso que ese vaivén entre continentes es muy estimulante y sano”.

Rolf-Dieter Heuer, director general del CERN

En lo que respeta a los científicos e ingenieros, la sede de Ginebra no será muy diferente de lo que es hoy”. […] Creo que ese vaivén entre continentes es muy estimulante y sano.

En efecto, la comunidad de físicos de partículas ya piensa en la máquina que seguirá al ILC. Sus características y rendimiento dependerán no solamente de la evolución tecnológica, sino también, y sobre todo, de los resultados que arroje la explotación del LHC en los próximos diez a quince años.

Para proseguir la investigación sobre los últimos misterios de la materia, el espacio y el tiempo más allá de los que logre descifrar el ILC, se necesitará probablemente un acelerados más potente. ¿Hará chocar electrones con positrones, protones con protones, un otras partículas? En el primer caso, el CERN ya tiene un plan. Y en los otros no tardará en elaborarlos.

(Traducción: Belén Couceiro)