El CERN continúa reinventándose para elaborar nueva física: estas son las dos estrategias que le permitirán ir más allá del bosón de Higgs
Investigación

El CERN continúa reinventándose para elaborar nueva física: estas son las dos estrategias que le permitirán ir más allá del bosón de Higgs

El gran colisionador de hadrones (LHC) es la máquina más grande construida hasta ahora por el ser humano. Y también es una de las más complejas. A este acelerador de partículas ubicado en las instalaciones del CERN, en la frontera entre Francia y Suiza, no solo le debemos el descubrimiento del bosón de Higgs; también muchos otros hallazgos que no han tenido tanta trascendencia en los medios de comunicación, pero que también están ayudando a los científicos a elaborar nueva física.

El volumen de datos que generan los detectores, que son las máquinas que se encargan de leer y recoger la información originada durante las colisiones de los protones, es sobrecogedor. Durante un año de trabajo CMS, ATLAS, ALICE, LHCb, TOTEM, MoEDAL y LHCf, los siete detectores con los que cuenta el LHC, entregan a los investigadores varias decenas de millones de gigabytes de información que es necesario procesar y analizar minuciosamente para extraer nuevo conocimiento.

Durante un año de trabajo los detectores del LHC entregan a los investigadores varias decenas de millones de gigabytes de información

Sin embargo, el LHC no está siempre en marcha. Durante las fases de actividad se llevan a cabo los experimentos que los científicos han diseñado previamente con la esperanza de confirmar sus teorías y hacer descubrimientos, pero cuando los experimentos que se habían planificado ya han sido llevados a cabo la actividad cesa. El LHC se apaga y los técnicos se disponen a introducir en él las mejoras necesarias para poder llevar a cabo nuevos experimentos, de manera que las fases de parada y actividad se van intercalando sucesivamente.

Una vez que hemos llegado a este punto es razonable que nos preguntemos qué tipo de modificaciones es necesario introducir en un acelerador de partículas para que nos permita ir un paso más allá en la búsqueda de nueva física. Los científicos del CERN han ideado dos estrategias diferentes. Una de ellas consiste en incrementar la luminosidad del acelerador, y la otra requiere trabajar con un nivel de energía más alto. Mucho más alto. Pero ambas tienen algo en común: requieren la puesta a punto de nueva tecnología.

En busca del LHC de alta luminosidad

Actualmente el gran colisionador de hadrones se encuentra en fase de parada. Precisamente está siendo modificado para incrementar su luminosidad, un parámetro que mide cuántas potenciales colisiones de partículas se producen por unidad de superficie y tiempo. La luminosidad se mide en femtobarns inversos, de manera que cada uno de ellos equivale a 100 billones de colisiones entre protones. Eso sí, se trata de billones en escala larga, por lo que un femtobarn inverso son 100 millones de millones de colisiones (1014).

El LHC de alta luminosidad debería ser capaz de producir 250 femtobarns inversos cada año

Desde que comenzaron los experimentos en el acelerador, en 2010, hasta finales de 2018, que fue el momento en el que cesó su actividad, se produjeron en su interior 150 femtobarns inversos. De acuerdo con la planificación actual de los técnicos del CERN las modificaciones que requiere el LHC para incrementar su luminosidad estarán listas a partir de 2026, por lo que el acelerador de alta luminosidad debería ser capaz de producir 250 femtobarns inversos cada año hasta alcanzar los 4000 durante todo el periodo de actividad.

Para incrementar tanto la luminosidad del acelerador es necesario concentrar los haces de partículas justo antes de la colisión. De esta manera los protones estarán más juntos, lo que incrementa la probabilidad de que dos de ellos colisionen al ser acelerados en sentidos contrarios a lo largo de la trayectoria curva del acelerador. Y, como podemos intuir, la envergadura de las modificaciones que es necesario introducir en la instalación para concentrar los haces de partículas es enorme.

Cms
Este es el aspecto que tiene el detector CMS. Su complejidad es aún mayor si cabe que la del propio LHC.

Actualmente los técnicos del CERN están instalando en los detectores CMS y ATLAS nuevos imanes superconductores fabricados en un compuesto de niobio y estaño que nunca se ha usado en un acelerador de partículas. Este compuesto superconductor permitirá incrementar la intensidad del campo magnético desde los 8 teslas de los imanes actuales hasta los 12 teslas en los nuevos imanes superconductores, y también se usará en los dos imanes dipolos empleados para curvar la trayectoria de los haces.

Los físicos esperan que el LHC de alta luminosidad les permita ir más allá del Modelo Estándar en la búsqueda de nueva física

No obstante, esto no es todo. Para transportar la corriente eléctrica que requieren el acelerador y los nuevos imanes es necesario utilizar nuevos cables de boruro de magnesio capaces de transportar corrientes eléctricas de hasta 100 000 amperios y de soportar temperaturas altísimas. El Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), la Universidad de Oviedo, el Instituto de Física de Cantabria, la Universidad Autónoma de Madrid y el Instituto Gallego de Física de Altas Energías son algunas de las instituciones españolas que están participando en el desarrollo de las nuevas tecnologías que requiere la puesta a punto del LHC de alta luminosidad.

Todo lo que hemos visto hasta ahora es muy interesante, pero lo más ilusionante es el conocimiento que los físicos esperan adquirir analizando los datos que nos entregará el LHC de alta luminosidad cuando comiencen los experimentos. Su primer objetivo es estudiar a fondo la producción del bosón de Higgs, un propósito que será viable debido a que los científicos confían en que el acelerador produzca 15 millones de estas partículas al año.

Pero esto no es todo en absoluto. Lo más apasionante es que los físicos esperan que el LHC de alta luminosidad les permita ir más allá del Modelo Estándar, que es la teoría que, grosso modo, describe las características de las partículas elementales y la naturaleza de las interacciones que se producen entre ellas. Esta nueva física podría demostrar o refutar la existencia de dimensiones extra, la validez de la supersimetría o si los quarks están conformados por partículas aún más elementales. Incluso podría ayudarnos a entender la naturaleza cuántica de la gravedad y a explicar el origen de la energía y la materia oscuras.

Siguiente parada: un nuevo acelerador de 100 TeV

El 19 de junio de 2020 la dirección del CERN aprobó por unanimidad el proyecto de construcción de un nuevo acelerador de partículas circular que tendrá nada menos que una circunferencia de 100 km (la del actual LHC mide 27 km). Su propósito será ir todavía un paso más allá en la elaboración de nueva física y en el conocimiento de lo que hay más allá de la frontera del Modelo Estándar de lo que pondrá en nuestras manos el LHC de alta luminosidad.

El próximo acelerador de partículas circular del CERN tendrá una circunferencia de 100 km

El proyecto que han dado a conocer los responsables del CERN está dividido en dos etapas. La primera comenzará, según sus planes iniciales, en 2038, y requerirá excavar un túnel circular con una circunferencia de 100 km muy cerca de la ubicación del actual LHC. Dentro de ese túnel construirán un acelerador de electrones y positrones que tendrá la energía necesaria para maximizar la producción de bosones de Higgs en el instante en el que se produzca la colisión de estas partículas.

Además del propio acelerador los científicos involucrados en este proyecto tendrán que construir un detector que consiga recabar toda la información que necesitan acerca de las partículas que se generarán en cada colisión. La complejidad de este instrumento es tan alta, o más si cabe, que la del propio acelerador de partículas, lo que nos permite formarnos una idea bastante precisa acerca de la envergadura de este proyecto.

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A pesar de las dimensiones sobrecogedoras del acelerador circular y los detectores los haces de partículas que circulan por su interior ocupan poquísimo espacio.

El LHC ha jugado un papel clave en el descubrimiento del bosón de Higgs, pero el nivel de energía con el que trabaja no es suficiente para indagar en las propiedades de esta partícula. Ha bastado para descubrirla, pero los científicos están convencidos de que es necesario alcanzar mayores niveles de energía si queremos seguir adelante y aspirar a conocer mejor este bosón. Y, por el camino, acceder a nueva física.

La primera etapa del proyecto concluiría a mediados de este siglo, y una vez que ese acelerador haya cumplido su propósito sería desmantelado por completo para construir en su lugar otro acelerador circular capaz de trabajar a nada menos que 100 TeV (teraelectronvoltios). Este nivel de energía es monstruoso; de hecho, el actual LHC trabaja con una energía de 16 TeV, lo que nos permite hacernos una idea de lo ambiciosa que es esta segunda etapa del proyecto, que se dilataría hasta finales de este siglo.

Imagen de portada | CERN (Anna Pantelia)
Imágenes | Julian Williams | CERN
Más información | CERN | CPAN

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