Siempre buscaremos los secretos de la Naturaleza

Acelerador lineal de Generador de Giutenberg de una sola etapa de 2 MeV. No todos los aceleradores que pudimos construir eran como el LHC, y, los comienzos fueron más elementales. Los aceleradores de partículas imitan, en cierta forma, la acción de los rayos cósmicos sobre la atmósfera  terrestre, lo cual produce al azar una lluvia de partículas exóticas e inestables. Sin embargo, los aceleradores prestan un entorno mucho más controlado para estudiar estas partículas generadas, y su proceso de desintegración. Ese estudio de partículas, tanto inestables como estables, puede ser en un futuro útil para el desarrollo de la medicina, la exploración espacial, tecnología, electrónica, etcétera. Hay dos tipos básicos de aceleradores de partículas: los lineales y los circulares. El tubo de rayos catódicos de un televisor es una forma simple de acelerador de partículas.

Demos un repaso sencillo sobre los Aceleradores de Partículas para que  nos lleve a percatarnos de lo que, en realidad, allí se busca:

1. La exploración directa de nuevas regiones de energía en busca de nuevos fenómenos.
2. El estudio de alta precisión de las propiedades de las partículas elementales y de las fuerzas fundamentales ya establecidas.

Estas dos líneas de actuación son en buena medida complementarias y, como en su día demostraron los experimentos  en LEP, las medidas de precisión a una determinada energía permiten vislumbrar que clase de fenómenos aparecerán a más altas energías y anticipar las regiones de interés.

                                                      Aquí se muestra lo que era el túnel LEP en el CERN.

LEP (Large Electron-Positron collider) era un acelerador-colisionador e^– e⁺  (electrón positrón)circular de unos 27 km de longitud, creado en 1989 y situado a 100 metrosbajo tierra en la frontera entre Francia y Suiza. Hasta que fue reemplazado por el LHC.  Era el último paso del complejo de aceleradores del CERN,  y en él los electrones y positrones  eran inyectados y acelerados hasta la energía  final de colisión mediante el uso de cavidades de radiofrecuencia. Un sistema de imanes dipolares curvaba los haces de electrones y positrones obligándoles a seguir una trayectoria circular.

En el LEP, los electrones y los positrones circulaban en sentidos opuestos a velocidades relativistas (cercanas a c, agrupados en paquetes de aproximadamente 1,6 centímetros de longitud y una sección de 0,3 × 0,01 mm². Existían ocho puntos de colisión, en cuatro de los cuales había instalados varios experimentos: ALEPH, DELPHI, L3 y OPAL. LEP empezó a operar en agosto de 1989y aunque originalmente fue diseñado para la producción de bosones  Z⁰ (cuya masa es de 91,2 GeV/c²),  con energías por haz previstas para su primera fase en torno a los 45 GeVy luminosidades de 10³¹ cm^-2· s^-1, las distintas mejoras que años más tarde se introdujeron en él (incluyendo la instalación de cavidades superconductoras) permitieron alcanzar energías por haz de hasta 104,5 GeV. En la segunda fase aumentó su energía en el centro de masas hasta los 130 GeV. Este incremento permitió la producción de pares de bosones W^± y Z⁰. Se esperaba que los sucesivos incrementos supusieran, incluso, el alcance del umbral de producción de nuevas partículas, como, por ejemplo, el Bosón de Higgs.

Las diferencias con el moderno LHC son notables y nos habla de lo que hemos avanzado

LEP anticipó con claridad que el Bosón de Higgs del Modelo Estándar era una partícula ligera, de masa probablemente inferior a 250 GeV. También sugirió la escala de   -1 TeV como umbral muy probable para la puesta de manifiesto de una nueva fenomenología que podría incluir partículas supersimétricas, tecnicolar, dimensiones extras o supergravedad a bajas energías, entre otras fascinantes propuestas de Nueva Física.

La exploración directa de esta región de energía y la posibilidad de realizar medidas de precisión es la razón de ser del LHC, la gran instalación científica que desde su puesta en marcha nos ha dado algunas sorpresas. Las pruebas que allí han sido realizadas nos hablan de otra dimensión del del universo, de la materia, del espaciotiempo y, deja en el aire promesas de secretos que podemos descubrir.

Es la construcción científica más grande de la Historia de la Humanidad y, aunque está situado a 100 metros bajo tierra, ésta alta tecnología nos puede decir cómo es, en realidad, nuestro universo. Existen secretos que no han sido desvelados y que pueden quedar al descubierto utilizando en el LHC las altas energías nunca jamás imaginadas.

El Colisionador LHC ha permitido estudiar colisiones protón-protón a 14 TeV en el centro de masas e interacciones plomo-plomo a 1300 TeV en el centro de masas. Cuando comenzaron los experimentos existía la firme convicción de que el LHC establecería la naturaleza de la observada rotura de la simetría electrodébil  (el mecanismo de Higgs frente a otras alternativas), dejaría al descubierto la posible existencia de partículas supersimétricas -o de otro tipo- así como nuevas interacciones, pondría de manifiesto el desconfinamiento de los quarks y la transición de fase hadrones-plasma de quarks y gluones y ayudaría a profundizar en el conocimiento de los sabores pesados (quarks botton y top) y en procesos mediados por  violaciones de la simetría CP.

Los resultados de todas estas investigaciones han tenido influencias en campos estrechamente relacionados con la Física de Partículas como son la Astrofísica y la Cosmología y también, han ayudado a mejorar algunos otros campos que han mejorado nuestras vidas cotidianas. Y, aunque aún no ha llegado el momento, seguro que en el futuro nos dirá algo sobre esa sustancia cósmica que todos buscan y llaman la “materia oscura” y de la propia existencia de la materia bariónica (asimetría materia-antimateria). En definitiva, con el LHC se inició el asalto, tal vez definitivo, a algunas de las cuestiones y desafíos intelectuales más fundamentales en investigación básica. Claro que, esto no ha hecho más que empezar.

Tratamos de desentrañar los secretos de la Naturaleza por todas partes, en el Cosmos buscamos estrellas de Quarks y en los aceleradores de partículas nuevas partículas. La identificación de una EQ requiere señales observacionales consistentes. Con esto nos referimos a propiedades físicas de la estrella tales como su masa máxima, radio, período mínimo de rotación, enfriamiento por emisión de neutrinos. Todas estas propiedades dependen de una única ecuación de estado para la materia densa de quarks que aún no ha sido completamente establecida. Sin embargo, existe un rango de valores aceptados para las cantidades antes mencionadas, con base en datos observacionales recientes, que marcarían importantes diferencias entre las posibles EQs y los demás objetos compactos.

Ya dije aquí mismo en otra ocasión que, antes de que pasen otros 50 años, se hablará de otro nuevo Super Colisionador, ya éste, el LHC, habrá cumplido su cometido, nos habrá dicho todo lo que puede decir, y, estaremos buscando nuevos horizontes que nos lleven algo más lejos, toda vez que, el que obtengamos ahora se nos quedará corto en unos pocos años.

Tened en cuenta que el punto de partida del LHC se remonta a marzo de 1984 (reunión de Lausana del Comité ECFA, European Comité for Future Acelerators) aunque la posibilidad de instalar un colisionador hadrónico en el CERN se había previsto años antes  al aprobar la construcción de LEP y dimensionar el diámetro del túnel para que pudiesen cohabitar dos grandes colisionadores: LEP y el LHC. El Proyecto de éste último fue aprobado por el Consejo del CERN en Diciembre de 1994 pero con unas restricciones de financiación tales que imponían un proceso de construcción estructurado en dos fases, algo verdaderamente comprometido al tratarse de una máquina superconductora.

    La ingente obra para construir el LHC se puede considerar un triunfo de la Humanidad

Afortunadamente en 1996,  el Consejo del CERN autorizó un perfil de endeudamiento, que se prolongó hasta el 2010, y que permió construir el LHC en una sola fase. En enero de 1996  se aprobó la construcción de dos experimentos de carácter genérico, ATLAS y CMS, y algo más tarde se aprobó la construcción de ALICE y  LHCb diseñados específicamente para el estudio de las colisiones de iones ultrarelativistas y la producción de partículas con quark b respectivamente.

Podría continuar explicando la enormidad de este proyecto y lo complejo de cada uno de sus componentes, pero eso sería entrar en una serie de explicaciones técnicas de una profundidad que, no en pocos casos, se escapan de mi comprensión, así que, como una aportación de datos y un poco de historia de éste inmenso proyecto, aquí lo dejo. Esperemos que todo esto acabe felizmente y la Física (también, aunque parezca raro, la Astronomía) encuentre ese eslabón que nos lleve hacia el futuro.

emilio silvera

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