El próximo colisionador de partículas del CERN cobra impulso
Los preparativos de un nuevo y gigantesco colisionador de partículas cerca de Ginebra avanzan. Sin embargo, el proyecto europeo, que pretende responder a algunas de las preguntas más importantes de la física, se enfrenta a muchos obstáculos, como la competencia de China.
En 2012 los científicos de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) lograron un avance clave al identificar el ‘bosón de Higgs’, una partícula elemental que da masa a todas las demás. Eso se produjo gracias a décadas de trabajo utilizando aceleradores como el famoso Gran Colisionador de Hadrones (LHC por sus siglas en inglés), el colisionador de partículas más potente del mundo situado al norte de Ginebra.
Sin embargo, muchas preguntas fundamentales sobre el Universo siguen sin respuesta: ¿Qué es la materia oscura? ¿Por qué nuestro universo está lleno de materia y no de antimateria? ¿O por qué difieren tanto las masas de las partículas elementales?
La respuesta a esas y otras grandes preguntas de la física requiere otro «salto a energías e intensidades más altas», afirma el CERN. La organización pretende construir un sucesor más potente y preciso que el LHC, concebido a principios de los años 80 y que completará su misión en 2040.
«Construimos estas máquinas para explorar la naturaleza del universo. Se trata de ir hacia lo desconocido y estudiar el más allá», afirma Mike Lamont, director de aceleradores y tecnología del CERN.
Y así, siguiendo las peticiones de la comunidad física mundial, los planes para el llamado Futuro Colisionador Circular (FCC) han ido tomando forma a lo largo de los últimos diez años.
Se trata de un túnel circular de 91 kilómetros de largo (56 millas), tres veces más largo que el actual LHC, alrededor de la ciudad de GinebraEnlace externo, en territorio suizo y francés, pasando por debajo del lago Lemán. En la superficie se construirían ocho emplazamientos científicos: siete en Francia y uno en Ginebra. La estimación inicial de costes sería de 11.000 millones de CHF -francos suizos- (12.700 millones de dólares) para la primera fase, cifra que ascendería a 21.000 millones de CHF en su totalidad.
En el interior del gigantesco túnel, las partículas se acelerarían a distancias más largas antes de chocar entre sí con una energía de colisión de 100 teraelectronvoltios (TeV), siete veces más que en el LHC, para desvelar los secretos subatómicos más ocultos.
Fase experimental
El FCC aún no está aprobado y faltan años para que se ponga en marcha. Sin embargo, según Lamont, el proyecto despierta cada vez más interés.
«Hay una sensación de impulso», afirma. «Las distintas representaciones europeas se han implicado mucho a todos los niveles. Han presionado mucho». Actualmente colaboran en la empresa unas 150 universidades, institutos de investigación y socios industriales.
Esta primavera se puso en marchaEnlace externo un estudio de viabilidad que debe concluir en 2025, y se están realizando evaluaciones sobre el terreno.
«Estamos pasando a una fase experimental», explica Michael Benedikt, director del estudio del FCC.
Su equipo ha identificado una trayectoria ideal para el FCC y los emplazamientos de los ocho puntos de superficie donde se ubicarían la infraestructura y los experimentos del colisionador.
Las evaluaciones sobre el terreno se están llevando a cabo en colaboración con las comunidades locales para resolver posibles conflictos.
«Mucha gente piensa que es una estructura enorme, pero en su mayor parte es subterránea», afirma Lamont.
Solucionar los problemas
El CERN está deseando ponerse manos a la obra y resolver los primeros problemas. Se ha invitado a alcaldes y otras autoridades locales de los lugares que se verían afectados por el futuro colisionador a visitar las instalaciones actuales del CERN para que puedan hacerse una idea de cómo serían los nuevos emplazamientos y otras infraestructuras.
Se están realizando estudios medioambientales en la campiña francesa y suiza para recabar datos sobre la geología local y la flora y fauna que puedan verse afectadas por el megacolisionador. El año que viene comenzarán los estudios sísmicos y las perforaciones.
«Todos están interesados en comprender lo que estamos haciendo y por qué lo estamos haciendo. Hasta ahora no ha habido ninguna oposición ni nadie se han manifestado en contra del proyecto», afirma.
Críticas sobre costes y escala
Sin embargo, la asociación local Noé21 Enlace externosí ha expresado su oposición publicando un informe crítico en octubre de 2022. En él se cuestionaba la monumental envergadura del FCC, que, según la asociación, requeriría la excavación de nueve millones de metros cúbicos de tierra. Las necesidades anuales de electricidad triplicarían el consumo actual del CERN hasta cuatro teravatios hora (TWh), lo que supondría más corriente eléctrica que para todo el transporte público suizo, afirmaEnlace externo.
El costoso plan tiene otros detractores, incluso entre los físicos. Algunos, como Sabine Hossenfelder, física teórica del Instituto de Estudios Avanzados de Fráncfort (Alemania), temen que este gigantesco proyecto engulla fondos que podrían destinarse a otras investigaciones físicas menos abstractas.
«Es una cantidad enorme de dinero sólo para medir con más precisión lo que hacen un puñado de partículas que se desintegran en nanosegundos», argumenta. «No hay ninguna razón para pensar que una máquina así descubra algo nuevo».
Hossenfelder sostiene que el dinero debería invertirse en investigaciones de aplicación más directa, como un centro internacional de predicciones climáticas Enlace externoo de modelización de epidemias.
«Invertir esa cantidad de dinero en una disciplina que no tiene relevancia social va a apartar a la gente de estudios más importantes; de hecho, se convierte en un obstáculo en el camino hacia el progreso».
Un gran colisionador en la región francosuiza
Los planes del CERN para su colisionador de nueva generación constan de dos fases. En la primera, la organización propone construir un túnel más grande a mediados de siglo para colisionar partículas subatómicas, maximizar la producción de bosones de Higgs y comprender sus propiedades con mayor detalle.
Durante esta fase, los físicos podrán «estudiar a fondo el bosón de Higgs», afirma Lamont.
Posteriormente, la primera máquina sería desmantelada y sustituida por un destructor protón-protón aún más potente que alcanzaría energías de colisión de 100TeV y duraría hasta la segunda mitad del siglo. Gran parte de la tecnología de la máquina final está aún por desarrollar y será objeto de intensos estudios en las próximas décadas.
Los retos de ingeniería civil que plantea la construcción de un colisionador aún mayor en la densamente poblada región del extremos oeste del lago Lemán son inmensos.
«Uno de los problemas es la construcción de túneles bajo el lago. Otro es la piedra caliza de las montañas del Jura y la Salève que domina Ginebra», explica Lamont. Los ingenieros tuvieron que buscar lugares donde las perforadoras pudieran atravesar una capa de roca más blanda, lo que dejaba pocas opciones de diseño posibles.
Plan B y competencia china
La decisión final de los Estados miembros del CERN -22 países europeos e Israel- sobre si dan luz verde al proyecto no se tomará antes de 2028. En caso afirmativo, la construcción se iniciaría en 2038 y la primera fase no comenzaría hasta 2048. Si se rechaza, el CERN ha propuesto un plan B: un Colisionador Lineal Compacto (CLIC por sus siglas en inglés) de 11 a 50 kilómetros de longitud que, a diferencia del FCC, sólo puede centrarse en un experimento de física a la vez.
El CERN es un centro de investigación reconocido en todo el mundo y líder en lo que se refiere a desentrañar los conocimientos de la humanidad sobre la materia. No obstante, se enfrentará a una dura competencia en los próximos años: China reveló en 2018 sus planes para construir su propio supercolisionador de electrones y positrones de 100 km de longitud, que podría comenzar sus experimentos ya en 2030. Los responsables del CERN temen que, ante el rápido avance de la ambiciosa China, se vean superados y pierdan su posición de liderazgo en este campo especializado.
«Creo que debemos reconocer que se trata de un peligro real. Creo que los chinos están aprendiendo a una velocidad sin igual. Sería un gran error subestimar sus capacidades», afirma Lamont.
Ahora bien, este tipo de competencia sana también podría ayudar a acelerar los planes del CERN, destacan sus responsables.
El plan del FCC es ambicioso, añade Lamont con una risa nerviosa. «Pero confiamos en poder hacerlo. No es tirar una moneda al aire».
Un equipo de científicos del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha formado parte de la tercera fase de investigaciones del Gran Colisionador de HadronesEnlace externo que comenzó en abril de 2022. Expertos del Instituto de Física Corpuscular (IFICCSIC-UV) y del Instituto de Física de Cantabria (IFCA-CSIC-UC) analizaron los datos de la colisión de partículas y, en concreto, se centraron en el estudio del bosón de Higgs, un tipo de partícula elemental que explicaría como se origina la masa de todas las partículas del Universo.
En marzo de 2023, El Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universitat de València (UV), tuvo una implicación destacada en el hallazgo de un raro proceso con cuatro quarks top, las partículas más masivas que se conocenEnlace externo. El descubrimiento podría derivar en el hallazgo de nuevas partículas más allá del modelo estándar. Según la comunidad científica, podría definirse como una especie de Santo Grial de la búsqueda de la nueva física. Por otro lado, los científicos han sido capaces de delimitar la interacción entre el quark top y el bosón de Higgs. Finalmente, se ha observado un ligero exceso en la tasa en comparación con la predicción del modelo estándar, lo que hace que el resultado sea aún más intrigante.
La colaboración científica española en el LHC está en curso desde 2022. Los estudios futuros ayudarán a determinar si estas revelaciones coinciden con el modelo estándar o si, por el contrario, hay indicios de nuevos fenómenos físicos que conduzcan a una comprensión más profunda de la naturaleza fundamental del universo.
Fuente: Ministerio de Ciencia e Innovación español y Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)
Texto adaptado del inglés por Carla Wolff
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