Así sería el nuevo acelerador de partículas – CERN

Europa planea la construcción de un “monstruoso” acelerador de partículas más largo que el Canal de Panamá-

La nueva máquina se montaría en un túnel de 100 kilómetros de diámetro, cuatro veces más grande que el actual LHC

Los secretos mejor guardados del Universo, esos a los que aún no hemos tenido acceso, están tan celosamente guardados que se hace necesario un nuevo y más potente tipo de catástrofe subatómica para sacarlos a la luz. Por eso, y para desatar ese tipo de fuerzas, los físicos europeos quieren construir el acelerador de partículas más poderoso que se haya visto jamás, uno que dejará pequeño al famoso Gran Colisionador de Hadrones LHC, que con sus 27 kilómetros es, en la acualidad, el acelerador más grande y potente del mundo.

Con ese objeto el CERN, el centro europeo para la Física de partículas, acaba de hacer público un informe sobre el proyecto para la construcción del que será el sucesor del LHC. Y si el actual colisionador de hadrones ya parecía una estructura enorme, el nuevo acelerador multiplicará ese tamaño por cuatro. Será más largo que el Canal de Panamá.

El proyecto ofrece varios diseños preliminares para el que se denomina, por ahora, Futuro Colisionador Circular (FCC), que se convertiría así en el más poderoso acelerador construido hasta ahora y que será capaz de llevar a cabo colisiones de diferentes tipos de partículas a energías nunca vistas. Su coste estimado será de 9.000 millones de euros. El recién presentado proyecto en el marco de la denominada Actualización de la Estrategia Europea para la Física de Partículas, que definirá el futuro de este importante campo de investigación por lo menos hasta bien entrada la segunda mitad de este siglo.

«Se trata de un salto enorme -asegura Gian Francesco Giudice, que dirige el departamento teórico del CERN-. Es como planear un viaje no a Marte, sino a Urano».

La Física, en un «impasse»

Tras el histórico descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, el actual colisionador (LHC) no ha vuelto a descubrir nuevas partículas. Y los físicos creen que los nuevos y cruciales descubrimientos que los expertos esperan se conseguirán aumentando la energía de colisión lo más posible. «Actualmente -asegura Giudice- explorar las energías más altas posibles con proyectos audaces es nuestra mejor esperanza para descubrir algunos de los misterios de la Naturaleza en su nivel más fundamental».

Según Halina Abramovicz, física de la Universidad de Tel Aviv que lidera la estrategia europea, el potencial de una máquina como el FCC resulta «muy excitante». Y añade que las características finales del nuevo colisionador se discutirán en profundidad y se compararán con el resto de proyectos que se presenten.

En este sentido, el Consejo del CERN, en el que participan tanto investigadores como delegados de los gobiernos de los países miembros, será el órgano que tome finalmente la decisión de financiar, o no, el proyecto.

Michael Benedikt, el físico del CERN que lidera el proyecto del FCC, asegura que valdría la pena construir esa instalación sin tener en cuenta los posibles resultados científicos. «Este tipo de esfuerzos y proyectos a gran escala -explica Benedikt- son enormes iniciadores para la creación de redes y conexiones de institutos científicos a través de fronteras y países. Y todo eso constituye un muy buen argumento para impulsar proyectos científicos tan singulares».

El estudio sobre el FCC comenzó en 2014 y contó con la participación de 1.300 expertos. La mayor parte de los diferentes escenarios contemplados implican la construcción de un túnel subterráneo de 100 km de diámetro, junto al túnel ya existente del LHC. El coste de esta parte del proyecto, además de la infraestructura de superficie necesaria sería, según el CERN, de unos 5.000 millones de euros.

A esta partida se sumaría la construcción, dentro del mismo túnel, de una máquina de otros 4.000 millones de euros que sería capaz de producir colisiones entre electrones y positrones (su equivalente en antimateria) en un rango de energía nunca alcanzado hasta ahora.

Curiosamente, en esta fase inicial la potencia del nuevo acelerador sería incluso inferior a la del LHC, aunque seguiría siendo la mayor conseguida en colisiones electrón-positrón. Más adelante, según se describe en el informe, se abordaría la construcción, en el mismo túnel de 100 kilómetors del FCC, de un segundo acelerador, un colisionador de hadrones (protones contra protones, como el actual LHC) que costaría otros 15.000 millones de euros adicionales y sería capaz de alcanzar energías de hasta 100 Tev (teraelectronvoltios), muy por encima de los 13 Tev a los que ha sido capaz de llegar el actual LHC.

A la búsqueda de partículas supermasivas

Las partículas que formarían la materia oscura ¿Dónde están?

Tales colisiones permitirían a los investigadores estudiar en profundidad partículas conocidas, como el bosón de Higgs, con una precisión mucho mayor de la que es posible en un colisionador de protones contra protones, como es el LHC. Y también, quizá, descubrir todo un nuevo mundo de partículas «supermasivas» asociadas a una nueva Física que sea capaz de responder a las importantes preguntas que aún quedan pendientes.

En efecto, y a pesar de que con el hallazgo del Higgs en 2012 se completó el Modelo Estandar de la Física de Partículas (la teoría que contempla todos los componentes de la materia y las cuatro fuerzas que los gobiernan), lo cierto es que quedan importantes cuestiones por resolver. ¿Por qué la gravedad es tan débil en la escala subatómica comparada con las otras fuerzas de la Naturaleza? ¿De dónde viene la masa de los neutrinos? ¿Dónde está toda la antimateria que debería tener el Universo? ¿Cuál es la auténtica naturaleza de lo que llamamos materia y energía oscuras? La mayoría de los físicos están de acuerdo en que una máquina capaz de operar a energías mucho más altas que las actuales podría desvelar todas esas nuevas partículas que el LHC no ha conseguido sacar a la luz.

Máquinas listas para 2040 ó 2050

El nuevo programa de investigación podría comenzar alrededor del año 2040, tras la mejora prevista para el propio LHC. Sin embargo, la opción más probable sería construir primero la máquina electrón-positrón (el FCC) y abordar el segundo colisionador (el de protones) más adelante, a finales de la década de 2050.

A pesar del entusiasmo general, o cierto es que no todo el mundo está plenamente convencido qu que este «super colisionador» constituya una buena inversión. «No hay ninguna razón para pensar que pueda haber una nueva Física precisamente en el rango de energías que un colisionador de este tipo podría alcanzar», asegura por ejemplo Sabine Hossenfelder, física teórica del Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt, en Alemania. «Y esa es, precisamente, la pesadilla que todos tienen en mente pero de la que nadie quiere hablar».

Según Hossenfelder, las enormes sumas que deberán destinarse al proyecto del FCC podrían gastarse mejor en otro tipo de instalaciones. Por ejemplo, en colocar un radiotelescopio en la cara oculta de la Luna, o un detector de ondas gravitacionales en órbita. Ambas instalaciones, según la física, serían apuestas mucho más seguras.

Las opciones descartadas

Desde hace ya mucho tiempo, los físicos tenían pensado construir, como sucesor del LHC, un gran colisionador lineal, llamado ILC (International Linear Collider), que también sería capaz de hacer colisionar electrones y positrones. Pero el hecho de que desde 2012 el LHC no haya logrado encontrar nada nuevo ha hecho que el interés por un colisionador lineal disminuya sustancialmente. La razón es que el ILC solo alcanzaría las energías suficientes para estudiar los bosones de Higgs, pero no para descubrir nuevas partículas que puedan manifestarse a energías de colisión más altas, como sí que sucerería con el nuevo colisionador presentado por el CERN.

China, al acecho

Mientras Europa se decide, China ya ha puesto sobre la mesa sus propios planes al respecto. Se trata de un acelerador similar al propuesto por el CERN (llamado Circular Electron-Positron Collider, CEPC) y que podría entrar en funcionamiento a partir de la década de 2030, diez años antes que la máquina europea. Según Wang Yifang, director del Instituto Chino de Física de Altas Energías y líder del proyecto, los expertos del gigante asiático han llegado a las mismas conclusiones que los europeos, en términos de objetivos científicos y factibilidad técnica.

Sea como fuere, hoy por hoy no existen garantías plenas de que el FCC llegue a construirse algún día. El «desencanto» dejado por el LHC, que aparte del Higgs no ha conseguido revelar señales de la existencia de nuevas partículas, tal y como como esperaban los físicos, ha hecho que sea muy difícil convencer a las partes interesadas para que respalden y financien un proyecto tan costoso. Si finalmente no lo hacen, Europa podría perder su liderazgo en un campo, el de la Física de Partículas, en el que siempre ha estado en cabeza.

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El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) entra oficialmente en una nueva fase. Este viernes se ha celebrado una ceremonia en el laboratorio europeo de física de partículas (CERN) que marca el inicio de la obra civil para el LHC de Alta Luminosidad (HL-LHC, por sus siglas en inglés), un nuevo hito en la historia del CERN. Al incrementar el número de colisiones en los grandes experimentos, esta gran actualización mejorará el rendimiento del LHC a partir de 2026, aumentando la probabilidad de descubrir nuevos fenómenos de la física.

El LHC comenzó sus colisiones entre partículas en 2010. Dentro de los 27 kilómetros del anillo del LHC, paquetes de protones viajan casi a la velocidad de la luz y chocan en cuatro puntos. Estas colisiones generan nuevas partículas que se miden en los detectores situados en los puntos de interacción. Analizando estas colisiones, físicos de todo el mundo profundizan en el conocimiento de las leyes de la naturaleza.

Mientras que el LHC es capaz de producir hasta 1.000 millones de colisiones entre protones cada segundo, el HL-LHC incrementará este número, conocido como ‘luminosidad’, en un factor 5 o 7, permitiendo acumular 10 veces más datos de 2026 a 2036. Esto supone poder investigar fenómenos físicos muy infrecuentes y obtener medidas mucho más precisas de los conocidos. Por ejemplo, el LHC permitió descubrir el bosón de Higgs en 2012 y probar cómo adquieren sus masas las partículas. Esta mejora del HL-LHC permitirá definir con mayor precisión las propiedades del bosón de Higgs. Además, se investigarán teorías más allá del modelo estándar (la teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones), incluyendo la supersimetría, la existencia de dimensiones extra o si los quarks (los ladrillos que componen la materia visible) están compuestos por algo más elemental aún.

“El LHC de Alta Luminosidad extenderá el alcance del LHC más allá de su objetivo inicial, aportando nuevas oportunidades para lograr nuevos descubrimientos, medir las propiedades de partículas como el bosón de Higgs con mayor precisión y explorar los constituyentes fundamentales de la naturaleza de forma aún más profunda”, declara la Directora General del CERN Fabiola Gianotti.

Las obras sobre los detectores ATLAS y CMS permitirán construir nuevas estructuras subterráneas destinadas al LHC de alta luminosidad. (Foto: Julien Ordan/CERN)

El proyecto del LHC de Alta Luminosidad es un esfuerzo internacional que implica a 29 instituciones de 13 países, incluida España con el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT). Comenzó en 2011 y fue incluido dos años después entre las prioridades de la Estrategia Europea de Física de Partículas, la hoja de ruta de la disciplina. Tras el éxito de la fase de pruebas, se construirán e instalarán muchos elementos nuevos en el LHC en los próximos años. Algo más de un kilómetro del actual acelerador se reemplazará completamente con nuevos componentes como imanes, colimadores y cavidades de radiofrecuencia.

El secreto para incrementar las colisiones es reducir el tamaño del haz de partículas en los puntos de interacción para incrementar las probabilidades de que los protones choquen entre sí. Para conseguir esto, el LHC necesita unos 130 imanes nuevos. En particular, 24 nuevos imanes superconductores cuadrupolos (que mantienen concentrado el haz) y 4 nuevos imanes superconductores dipolos (que se encargan de curvar la trayectoria de los haces). Ambos alcanzan un campo de más de 11,5 tesla, comparado con los 8,3 de los actuales imanes dipolo del LHC. Además, se instalarán 16 nuevas cavidades electromagnéticas (crab cavities) para incrementar la superposición de los paquetes de protones en los puntos de colisión.

Otro ingrediente clave para incrementar la luminosidad del LHC es aumentar la disponibilidad y eficiencia del acelerador. Para ello, el proyecto HL-LHC desplazará algunos equipamientos que serán más accesibles para su mantenimiento. Los transformadores de energía de los imanes se llevarán a galerías separadas del anillo del acelerador, conectándolos con nuevos cables superconductores capaces de transmitir una carga eléctrica de hasta 100.000 amperios sin apenas disipar energía.

Para ello se realizarán grandes obras de ingeniería principalmente en dos localizaciones del LHC en Suiza y Francia, que incluyen la construcción de nuevos edificios, cavernas y galerías subterráneas. Los túneles y salas bajo tierra albergarán nuevo equipamiento criogénico, el suministro de energía eléctrica y varias plantas de electricidad, refrigeración y ventilación.

El LHC continuará funcionando durante estos trabajos con periodos de largas paradas técnicas que, además de realizar las actividades de mantenimiento habituales, servirán para preparar el acelerador y sus experimentos para la alta luminosidad. Tras completar esta gran mejora, se espera que el LHC comience a producir datos en modo alta luminosidad a partir de 2026. Así, alcanzar las fronteras de la tecnología de aceleradores y detectores también facilitará el camino para futuros aceleradores de mayor energía.

En España, el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) desarrolla desde 2014 un prototipo de imán superconductor para el proyecto del LHC de Alta Luminosidad. Es un imán combinado, capaz de corregir la trayectoria de los haces de partículas que circulan por el anillo del LHC tanto en el plano vertical como horizontal de forma simultánea, algo muy complejo.

El espacio en el interior del imán para el tubo de vacío por donde circulan las partículas es el doble que el de los imanes actuales del LHC (150 milímetros de diámetro). Además, este imán es mucho más resistente a la radiación, que será mayor en el HL-LHC, lo que implica la utilización de materiales avanzados y nuevas soluciones mecánicas en su montaje.

Las técnicas de fabricación de las bobinas y de la estructura de soporte de las fuerzas electromagnéticas son nuevas, y han sido necesarias numerosas pruebas y ensayos para su validación. El CIEMAT se encuentra en la fase final de producción del primer prototipo, cuyo ensayo está previsto para otoño de este año. La fabricación en serie comenzará a principios de 2019 y se extenderá hasta finales de 2021.

Además, varios centros y grupos de investigación españoles participan en la mejora de los principales experimentos del LHC, que tienen que adaptarse a las nuevas condiciones de la fase de Alta Luminosidad. El incremento de las colisiones provocará el aumento del número de señales a procesar, de los sucesos a almacenar, fenómenos como el ‘pileup’ (acumulación de colisiones de partículas en un mismo evento)… Además, el potencial envejecimiento de los materiales debido a una mayor radiación requiere un intenso trabajo de I+D para mitigar sus efectos.

El Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) y el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València), participan en la mejora de los sistemas de lectura de información y selección de eventos (trigger) del calorímetro del experimento ATLAS, uno de los subdetectores que mide la energía de las partículas producidas. Ambos institutos participan también en la mejora del componente más cercano a las colisiones, el llamado ‘detector de trazas’, instrumento que registra la trayectoria de las partículas cargadas producidas y que se reemplazará en su totalidad para el LHC de Alta Luminosidad. Parte de los nuevos sensores que se instalarán en el detector de trazas de ATLAS se fabricará en el Centro Nacional de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC).

La Unidad de Física de Partículas del CIEMAT, la Universidad de Oviedo (UO) y la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) contribuyen a la actualización del sistema de muones de CMS, fundamentalmente en la renovación de los sistemas electrónicos de este subdetector, tanto de lectura como de trigger, que comenzarán a probar en la próxima parada del LHC (2019-2020) y se instalaran durante  la tercera parada técnica del LHC (2024-2025) previa al inicio del LHC de Alta Luminosidad. El Instituto de Física de Cantabria (IFCA, CSIC-Universidad de Cantabria) participa junto al IMB-CNM en el desarrollo de nuevos sensores para el detector de vértices de CMS, muy próximo a las colisiones, y en un nuevo sistema temporal del experimento para paliar el fenómeno del pileup.

El Instituto Gallego de Física de Altas Energías (IGFAE, Universidade de Santiago de Compostela-Xunta de Galicia) participa en la construcción del nuevo detector de vértice del experimento LHCb (Vertex Locator, VELO), cuya actualización se realiza antes que ATLAS y CMS, así como en la mejora del sistema para seleccionar las colisiones a registrar (High Level Trigger).

Por su parte, el IFIC contribuye, junto al Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB), al nuevo sistema de reconstrucción de trazas del detector LHCb mejorado (llamado SciFi), en particular diseño y producción de la electrónica de lectura de datos, así como al desarrollo de algoritmos de reconstrucción y trigger orientados a partículas de larga vida media. El ICCUB trabaja también en el calorímetro electromagnético de LHCb, en particular en un sistema electrónico ultrarrápido de lectura de datos de uno de sus componentes.

Datos básicos del LHC de Alta Luminosidad

– ‘Luminosidad’ es la medida del número de colisiones potenciales por unidad de superficie y tiempo de un acelerador de partículas. Es un indicador básico del funcionamiento de un acelerador. Se mide en femtobarns inversos: 1 femtobarn inverso equivale a 100 billones de colisiones entre protones (1012).

– Desde su inicio en 2010 hasta el final de 2018 el LHC habrá obtenido 150 femtobarns inversos de datos. Se espera que el LHC de Alta Luminosidad produzca 250 femtobarns inversos de datos cada año, hasta los 4.000.

– El LHC de Alta Luminosidad permitirá estudiar al detalle la física conocida y observar nuevos fenómenos. Un ejemplo es el bosón de Higgs, del que se producirán 15 millones al año por los 3 millones de 2017.

– Los nuevos imanes superconductores cuadrupolos, instalados a ambos lados de los experimentos ATLAS y CMS para concentrar los haces antes de la colisión, utilizan un compuesto superconductor de niobio-estaño usado por primera vez en un acelerador, lo que permite alcanzar mayores campos magnéticos que los actuales imanes del LHC (12 tesla en los nuevos imanes por 8 en los actuales). Este nuevo compuesto se utiliza también en los dos imanes dipolos que se sustituirán para curvar la trayectoria de los haces.

– Para alimentar el acelerador y sus imanes se utilizarán nuevos cables hechos de un material superconductor (boruro de magnesio) capaz de trabajar a mayor temperatura que los imanes y transportar corrientes eléctricas con intensidades récord de 100.000 amperios.

– Los trabajos de ingeniería para preparar el LHC de Alta Luminosidad comienzan este año en dos puntos del anillo el LHC situados en Suiza (Meyrin, experimento ATLAS) y Francia (Cessy, experimento CMS) con la excavación de fosas de 80 metros en cada sitio, cavernas subterráneas y túneles de servicio de 300 metros. La instalación de los primeros componentes del LHC de Alta Luminosidad, los imanes dipolos de 11 tesla, colimadores y diversa instrumentación para los haces de partículas) comenzará durante la segunda parada larga del LHC (Long Shutdown 2, LS2, 2019-2020). Pero la mayor parte de los trabajos de mejora se realizarán durante la tercera parada técnica, entre 2024 y 2026).

– El coste material de la mejora del LHC está fijado en 950 millones de francos suizos entre 2015 y 2026, considerando un presupuesto constante del CERN.

Fuente: CPAN

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El detector Atlas es unos de los que registran las colisiones en el acelerador de particulas (LHC), en Ginebra CERN

El ILC reducido funcionaría a la mitad de potencia, 250 GeV, y sería una “fábrica de Higgs”. Su objetivo principal no sería tanto la materia oscura como producir los bosones ya conocidos, eso sí, con mucha más limpieza que el LHC para profundizar en el conocimiento de sus propiedades, ya que aún queda por determinar si es una partícula fundamental o compuesta o si hay más de un bosón de Higgs. En un futuro indeterminado, el acelerador podría ampliarse para alcanzar el doble de potencia.

Europa y EE UU esperan a que Japón haga un anuncio oficial de que pretende construir el acelerador, lo que se espera para 2018 o 2019, explica Grahame Blair, director de programas del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología de Reino Unido. Blair afronta una situación no menos paradójica que su colega nipón, pues preside el organismo internacional que aglutina a las agencias financiadoras de cara a nuevos aceleradores lineales en representación de Europa, justo cuando su país planea abandonar la Unión Europea. El británico admite que “aún no se sabe cómo el brexit va a afectar a la ciencia en Reino Unido”. El Gobierno de Theresa May aún debe “nombrar muchos cargos y simplemente no sabemos lo que va a pasar”, reconoce.

En una incertidumbre similar está Abid Patwa, del Departamento de Energía de EE UU. El pasado miércoles participó en la reunión a puerta cerrada de las agencias financiadoras, donde se exploró cómo “acomodar unos presupuestos planos en casi todos los países, con el proyecto de diseñar” el ILC y otros aceleradores futuros, explica. Donald Trump ha arremetido contra la ciencia del cambio climático y ha agitado bulos sobre las vacunas, pero sus planes en la exploración de los grandes enigmas del universo son aún un misterio. En 2014, un panel de científicos que asesoraba al Gobierno de Obama estableció cinco grandes prioridades para los próximos 10 años. La primera era seguir investigando en bosón de Higgs. Además, se pretende aclarar el misterio de la masa de los neutrinos, estudiar la materia oscura y aclarar la aceleración del universo, probablemente empujado por la energía oscura. Por ahora, el equipo de transición de Trump no ha dicho nada sobre este plan, ni cuál será su estrategia para este campo del conocimiento, reconoce Patwa.

Entre tantas dudas, China sigue adelante con un ambicioso plan que amenaza con arrebatarle al CERN Europeo el liderazgo mundial en física de partículas. Jie Gao, del Instituto de Física de Altas Energías, explica que su país planea construir un acelerador de partículas de 100 kilómetros de circunferencia, unas cuatro veces mayor que el LHC, y que abarcaría en su circunferencia un territorio superior a la ciudad de Madrid. El proyecto rivaliza con otro casi idéntico del CERN. La primera fase del proyecto, un colisionador circular de electrones y positrones, también se solapa con el ILC. Empezaría a funcionar en 2030, explica Gao. Después usarán el mismo túnel subterráneo para albergar un colisionador de protones de 100 kilómetros que estaría listo en 2050, explica el físico chino, cuyas explicaciones ejemplifican la forma de hacer las cosas en la primera economía del mundo, según algunos baremos. “En el último Plan Quinquenal hay una frase que dice que China debe promover y sostener un gran proyecto internacional en ciencia, sin mencionar cuál”, explica Gao. El nuevo acelerador “encaja muy bien” con esa directriz, añade el chino. En el país más poblado de la Tierra, construir la mayor máquina de la Tierra sería en realidad muy asequible. “El coste per cápita es incluso más barato que el primer colisionador de partículas que se construyó en China en los ochenta”, explica. Gao espera que el Gobierno comprometa fondos para su diseño detallado a partir del próximo año. El físico resalta que este tiene que ser un proyecto en el que participe la comunidad internacional. “Creo que China puede hacerse cargo del 70% del proyecto”, asegura.

Mientras, el CERN sigue adelante con sus propios estudios “de aceleradores lineales y circulares”, asegura Fabiola Gianotti, directora general del laboratorio, que se muestra muy diplomática sobre los amenazadores planes chinos. “Es muy agradable ver que en varias regiones del mundo hay interés por los aceleradores de partículas”, señala.

La última esperanza de Europa en esta carrera será su capacidad de innovación. El veterano físico Lynn Evans, director de colisionadores lineales del CERN y uno de los padres del LHC, es muy escéptico de que la potencia asiática pueda desarrollar por su cuenta las nuevas tecnologías necesarias para cuadruplicar la potencia de los aceleradores actuales. “Nos llevó 15 años construir el LHC”, y “puede que se tarde 50 años” en construir un acelerador de 100 kilómetros, “nosotros no lo veremos funcionando”, sentencia.

Noticia de Prensa.

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