Alberto Ruiz Jimeno (IFCA, CSIC-UC)1
En la Comunidad Internacional de Física de Partículas hemos estado discutiendo, durante estos últimos años, cuál debe ser la estrategia más adecuada para el futuro de la investigación científica en el campo.
Como ya es bien conocido, el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) es el mayor acelerador de partículas del mundo actual, se ubica en el CERN, cercano a Ginebra, y está desarrollando el llamado Run-3, que durará hasta finales del año 2026, tras el cual se procederá a un proceso de mejora sustancial del acelerador para dotarle de una luminosidad un orden de magnitud mejor, el llamado LHC a alta luminosidad.
La nueva máquina procederá a tomar datos a partir de 2029, logrando mayor precisión y ligeramente mayor energía, durante un período aproximado de 10 años. Más de diez mil científicos e ingenieros de todo el mundo llevamos trabajando en el LHC desde 2008, en que comenzó a funcionar, y logramos en 2012 el descubrimiento del bosón de Higgs, cuanto del campo de Brout-Englert-Higgs, responsable de la existencia de masa de las partículas elementales que constituyen la materia conocida del Universo.
EL LHC./CERN.
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1 Profesor emérito del Instituto de Física de Cantabria (CSIC-Universidad de Cantabria). Muchas gracias a Rebeca García, responsable de difusión del IFCA por proporcionarme algunas de las figuras y ayudarme en la confección del texto.
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La física desarrollada en el LHC ha permitido establecer las medidas más precisas del modelo estándar de nuestro Universo, pero quedan muchas incógnitas fundamentales que el LHC a alta luminosidad tratará de responder en parte. Por ejemplo, sabemos que la materia descrita por el modelo solo da cuenta del 5% del contenido de energía-materia del Universo, siendo un 25% “materia oscura” y un 70% “energía oscura”, ambas desconocidas aún.
Además, hay otras muchas incógnitas como el diferente comportamiento de materia-antimateria, el comportamiento de los neutrinos, las características peculiares de la gravitación y la inconsistencia entre la mecánica cuántica y la teoría de la gravitación de Einstein, etc… Por todo ello, sabemos que el modelo estándar, si bien es muy robusto, debe ser una teoría efectiva y se requiere física mas allá del modelo estándar que pueda explicar aspectos aún más fundamentales de los que conocemos actualmente.
Tanto en la estrategia europea, como en la de EEUU y en Asia (Japón, China y Corea, esencialmente) han optado, para el futuro, en un colisionador que sea una factoría de Higgs, capaz de producir muchos millones de bosones de Higgs (además de otras partículas muy importantes, como el quark top y el bosón Z, entre otras). Para ello, lo más adecuado son colisionadores leptónicos”, en particular de electrones y sus antipartículas, los positrones. Ello es debido a que, en este tipo de colisiones, toda la energía de las partículas colisionantes se aprovechan para la producción de nuevas partículas, produciendo sucesos muy limpios que pueden ser analizados con grandísima precisión mediante detectores de última generación. Concretamente el orden de precisión puede llegar a superar en un orden de magnitud la que pueda lograrse en el LHC a alta luminosidad.
El LHC, situado en la frontera de Francia y Suiza, cuenta con un anillo de 27 kilómetros ubicado entre 45 y 100 metros bajo tierra, y proporciona haces de hadrones a los detectores CMS, ATLAS, ALICE y LHCb. El CERN ha lanzado, recientemente, el proyecto del FCC, el Futuro Colisionador Circular, con 91 kilómetros de perímetro (casi 3 veces el LHC), que funcionaría en una primera fase como un colisionador de partículas electrón-positrón, y una segunda con colisiones entre hadrón-hadrón. La primera fase, FCC-ee, sería una auténtica factoría de Higgs, mientras que la segunda, FCC-hh, estaría más orientada a descubrimientos de nuevas partículas.
No solo Europa, sino también EEUU y Japón tienen sus prioridades. En el caso del CERN, que representa esencialmente a Europa, la prioridad que ha establecido y que ha empezado a estudiar es este colisionador circular, pero los estudios llevan solo unos pocos años y son muy complejos. La razón de tener un perímetro tan grande es para lograr poca curvatura, ya que los haces de partículas cargadas pierden energía, cuando se curvan, en forma de radiación sincrotrón y estas pérdidas son proporcionales a la cuarta potencia de la velocidad de aceleración, lo que hace que se esté limitado a una aceleración máxima, a una energía máxima de las colisiones.
Entre los estudios que hay que realizar, además de los propios de la tecnología de aceleración y detección, entran en juego la ubicación, factores geológicos, administrativos, financieros y, sobre todo, de sostenibilidad.
Alberto Ruiz Jimeno ante el mural del detector CMS del LHC. / IFCA Comunicación.
En este momento ya se han realizado los primeros estudios geológicos y administrativos entre las distintas regiones que se verían afectadas por la construcción del futuro acelerador circular del CERN. Recientemente se presentaron estos estudios al Consejo del CERN, que dio su aprobación para que continúen hasta finales de 2025. Si son aprobados por el Consejo del CERN y aceptados en las nuevas sesiones de la Estrategia Europea, esperada en 2026, se comenzaría la siguiente etapa de estudios, y posteriormente, en caso de la aprobación definitiva, la construcción del acelerador y detectores, de modo que empezaría a funcionar en la década de 2040, cuando el LHC esté finalizando su toma de datos.
Vista aérea del proyecto FCC / CERN.
La financiación de la primera fase del FCC costaría unos 12.000 millones de euros (incluyendo la obra civil), y superaría los 20.000 millones de euros al final del proyecto (el FCC-hh, cuya construcción y funcionamiento inicial sería en la década de 2070). Si bien es una gran suma de dinero absoluto, habida cuenta del período de más de 40 años de desarrollo y funcionamiento, y la implicación de más de 10000 científicos e ingenieros de todo el mundo, la financiación es muy razonable para I+D. Además, la experiencia indica que el retorno económico a los países participantes es muy superior a la inversión.
Los resultados de física que se obtengan con el LHC a alta luminosidad serán esenciales para continuar con el proyecto, en particular para la segunda fase, FCC-hh.
Como ya he indicado más arriba, el FCC tiene competidores a escala mundial. El acelerador más maduro, propuesto para su construcción en Japón, es el International Linear Collider (ILC), un colisionador lineal que ya está aprobado técnicamente y cuyos estudios geológicos, administrativos y de sostenibilidad han sido ya realizados y aprobados, estando pendiente de las decisiones políticas del gobierno de Japón, esencialmente. Estaría formado por dos aceleradores lineales de unos 20 kilómetros de longitud cada uno, donde se harán chocar electrones y sus partículas de antimateria, los positrones, a casi la velocidad de la luz.
Vista artística del proyecto ILC / ILC.org.
El ILC es un proyecto mundial, lanzado por el Comité Internacional de Futuros Aceleradores (ICFA), utilizaría unas 16.000 cavidades superconductoras, funcionando a la temperatura del Helio líquido superfluido, -271 grados centígrados. Su coste estimado es de unos seis mil millones de euros y el trabajo de construcción se estima en unos 24 millones de horas de persona. La tecnología del acelerador y los experimentos que se está desarrollando es puntera.
Otro proyecto de acelerador circular, muy parecido al FCC-ee, está propuesto por China, y se denomina CEPC. China tiene capacidad económica para construirlo como un proyecto nacional, si bien su interés es que tenga alcance mundial.
También en EEUU se han iniciado estudios de un colisionador circular, el CCC. Y en el CERN existe, desde hace varios años, un proyecto de acelerador lineal, el CLIC. Finalmente, hay estudios previos a nivel de Europa y EEUU de un colisionador de muones y antimuones y también se están desarrollando estudios de nuevos métodos de aceleración, basados en plasmas.
Es una incógnita saber quién logrará construir el mayor acelerador de partículas hasta la fecha. Japón, China, Europa o Estados Unidos, pero el que se decida será una factoría de Higgs de alcance mundial.
El SuperKEKB es actualmente el mayor acelerador en Japón. / Belle II Collaboration
El papel del IFCA
Hasta ahora me he referido a los aceleradores, pero para que éstos den resultados se necesitan detectores de los sucesos que se dan en los choques entre partículas. Desde el Grupo de Partículas e Instrumentación Avanzada del IFCA, junto al IFIC (Valencia) o el CIEMAT (Madrid), se ha trabajado estos años en crear un detector de estas colisiones, lo que se conoce como el International Linear Detector (ILD), creado originalmente para el ILC, pero que puede adaptarse tanto a un acelerador lineal como circular (el FCC). La actividad del IFCA, en particular, gira en torno a la tecnología de sensores de Silicio para los detectores del ILC. Dichas tecnologías se aplicarán también en el LHC a alta luminosidad y otros proyectos como el SuperBelle en Japón, y también sería aplicable en CLIC, CEPC ó FCC.
