El próximo gran salto del CERN, una máquina que podría desvelar los secretos del universo
El Gran Colisionador de Hadrones del CERN transformó nuestra comprensión del universo. Ahora, la Organización Europea para la Investigación Nuclear pretende construir algo mucho más ambicioso con el respaldo de la comunidad científica.
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El próximo gran salto del CERN, una máquina que podría desvelar los secretos del universo
Desde hace más de 70 años, el laboratorio de investigación del CERN, situado a las afueras de Ginebra, se ha consolidado como el principal referente mundial en física de partículas. El laboratorio funciona gracias a una amplia red de cooperación internacional que incluye 25 Estados miembros, diez países asociados y observadores como Estados Unidos y la Unión Europea. La filosofía del CERN parte de una idea sencilla: las grandes preguntas del universo exigen respuestas colectivas. ¿De qué está hecho el cosmos? ¿Por qué existe la materia? ¿Qué ocurrió en los primeros instantes tras el Big Bang?
En 2012, esa apuesta dio sus frutos. La comunidad científica del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) anunció el descubrimiento del bosón de Higgs, la llamada «partícula de Dios», responsable de otorgar masa a las partículas fundamentales, los componentes más básicos del universo.
«Sin el bosón de Higgs, nosotros no existiríamos», afirma Fabiola Gianotti, quien dirigió el CERN durante diez años hasta enero de este año.
Los artículos de esta serie analizan en qué punto se encuentra el mayor laboratorio de física de partículas del mundo respecto a sus ambiciones científicas y sus esfuerzos por seguir siendo un punto de encuentro internacional para comprender nuestro universo.
Lejos de resolver todos los enigmas, el descubrimiento del Higgs abrió nuevas preguntas. Ahora, cuando el LHC empieza a acercarse al límite de lo que puede revelar, el CERN prepara su proyecto más ambicioso hasta la fecha: un nuevo colisionador casi cuatro veces más grande que el actual, enterrado a 200 metros bajo tierra y extendido bajo el lago Lemán y el río Ródano.
El llamado Colisionador Circular Futuro (FCC, por sus siglas en inglés) comenzaría a operar en la década de 2040 y se convertiría en el mayor instrumento científico jamás construido y, según sus defensores, también en el más importante. Su construcción está valorada en 15.000 millones de francos suizos (unos 19.000 millones de dólares), y el siguiente gran reto del CERN será reunir esa financiación en un contexto geopolítico complejo.
«El FCC es extremadamente importante para nuestro campo, y si hay una institución capaz de hacerlo realidad, esa es el CERN», afirma Maria Spiropulu, colaboradora del laboratorio e investigadora en el Instituto Tecnológico de California.
Los enigmas después del Higgs
«Cuando doy conferencias al público, siempre selecciono ocho grandes preguntas abiertas de la física de partículas y, en todos los casos, la mitad tiene relación con el bosón de Higgs», explica Mark Thomson, físico británico que asumió en enero la dirección general del CERN.
Thomson quiere entender por qué las doce partículas fundamentales conocidas tienen masas diferentes y si el propio bosón de Higgs debería considerarse una partícula fundamental. Son cuestiones que el actual LHC no puede responder con la precisión necesaria.
Otros físicos centran su atención en enigmas aún más profundos. Ben Kilminster, físico de partículas de la Universidad de Zúrich, está especialmente interesado en la materia oscura.
«Resulta un poco embarazoso afirmar que tenemos un modelo de todas las partículas del universo y, aun así, no sabemos de qué está compuesto el otro 80 % o 85 % restante del cosmos», afirma.
A ello se suma otro misterio: por qué el Big Bang produjo más materia que antimateria.
«El FCC podría abordar el mayor número de preguntas abiertas mediante pruebas independientes», asegura Kilminster.
Una máquina para el próximo siglo
En una primera fase, el FCC funcionaría como lo que la comunidad física llama una «fábrica de Higgs»: una máquina diseñada para producir grandes cantidades de bosones de Higgs en condiciones extremadamente controladas.
Electrones y positrones circularían por un nuevo anillo de 90,7 kilómetros de perímetro —más de tres veces la longitud del actual LHC— enterrado hasta 200 metros bajo tierra.
«La principal motivación del FCC es estudiar el Higgs con un nivel de detalle sin precedentes y utilizarlo para explorar aspectos del universo que todavía no comprendemos», afirma Thomson.
En una segunda fase, que podría entrar en funcionamiento en la década de 2070, el mismo túnel albergaría un colisionador de protones capaz de hacer chocar partículas con una energía diez veces superior a la del actual LHC.
La nueva máquina pondría a prueba los límites de las teorías actuales y podría permitir el descubrimiento de nuevas partículas más pesadas.
«Podrían crearse partículas con masas diez veces superiores a las conocidas actualmente», explica Kilminster.
Un estudio de viabilidad elaborado por 1.500 especialistas y aprobado por el Consejo del CERN confirmó la solidez científica del proyecto. El análisis examinó los objetivos científicos del laboratorio, la geología de la región, así como los costes y el impacto ambiental del nuevo colisionador.
El Grupo Europeo de Estrategia, designado por el CERN y formado por algunos de los físicos de partículas más destacados del continente, describió el FCC como un programa que ofrecería «el programa de física de partículas de alta precisión más amplio del mundo, con un extraordinario potencial de descubrimiento».
Para Thomson existe «un consenso absoluto y claro dentro de la comunidad de física de partículas de que el FCC es el camino correcto».
«Analizamos todas las opciones y el FCC es, claramente, la máquina científicamente preferida», señala.
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Más allá de la física
Aunque el consenso científico sobre el FCC es sólido, su encaje político y social sigue abierto al debate.
La financiación necesaria —15.000 millones de francos suizos— está lejos de estar garantizada y la oposición local aumenta. Una red de asociaciones suizas y francesas, encabezada por la ONG ginebrina Noé21, lleva tiempo organizándose contra el proyecto.
Actualmente, el consumo eléctrico del CERN equivale aproximadamente a un tercio del consumo total del cantón de Ginebra, y las obras generarían alrededor de ocho millones de metros cúbicos de material excavado.
«Entiendo sus necesidades, pero eso no significa que debamos aceptar algo que costará decenas de miles de millones y que envenenará la región durante años», afirma Jean-Bernard Billeter, de Noé21.
Thomson reconoce que todavía queda trabajo para convencer a la población.
«Tenemos que demostrar que podemos construir esta máquina de una manera ambientalmente responsable», sostiene.
La comunidad científica recuerda también que los avances surgidos en el CERN trascienden ampliamente el laboratorio. Allí nació la World Wide Web. Los aceleradores de partículas dieron origen a tecnologías de radioterapia empleadas actualmente en tratamientos contra el cáncer. Y las fuentes de luz sincrotrón de alta energía, desarrolladas en el CERN, son hoy herramientas esenciales para analizar nuevos materiales y desarrollar medicamentos.
La segunda fase del FCC supondría además avances en superconductores de alta temperatura para imanes de campo elevado, una tecnología con aplicaciones directas en imagen médica y energía de fusión.
«En física de partículas intentamos hacer lo casi imposible. Y al desarrollar tecnologías para alcanzar lo casi imposible, inevitablemente acaban surgiendo aplicaciones inesperadas», afirma Thomson.
Antes de que comiencen las obras del FCC, la máquina actual del CERN afrontará una profunda renovación.
El próximo 30 de junio, el Gran Colisionador de Hadrones se apagará durante cuatro años. La nueva versión —conocida como High Luminosity LHC o HiLumi— aspira a producir unas diez veces más colisiones de protones que el diseño original del LHC, lo que permitirá realizar mediciones mucho más precisas del bosón de Higgs, incluida, por primera vez, la observación de cómo interactúa consigo mismo.
Los equipos físicos instalarán nuevos imanes fabricados con materiales superconductores innovadores capaces de generar campos magnéticos de 11,3 teslas, frente a los 8,6 actuales.
Maria Spiropulu y su equipo en CalTech han participado en el desarrollo de un nuevo detector temporal para el experimento CMS, capaz de distinguir colisiones separadas por apenas 30 picosegundos.
La actualización HiLumi representa, en palabras de Thomson, «una nueva era para el LHC» y un puente científico hacia lo que venga después.
Editado por Gabe Bullard y Veronica DeVore. Adaptado del inglés por Carla Wolff.
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