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El señor de los anillos: el gran acelerador chino de partículas elementales

Gerardo Herrera Corral 26 / Nov / 18
La mirada profunda al microcosmos es el dominio de los aceleradores de partículas. Estos son los microscopios más potentes que existen para mirar al interior de la materia. Actualmente, el Gran Colisionador de Hadrones es el acelerador más grande pero ya se tiene el diseño de la máquina que lo superará

Han pasado 6 años desde que se descubrió al bosón de Higgs.  Con este hallazgo, en el proyecto Gran Colisionador de Hadrones del Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN), se confirmó el Modelo Estándar de las partículas elementales. Este es el marco teórico que nos explica la naturaleza microscópica de la materia. Además, el descubrimiento completó la tabla de partículas que forman lo que vemos en nuestro derredor. 

Hoy sabemos que todo lo que existe está hecho de 6 quarks y 6 leptones a las que llamamos partículas de materia. Sabemos que hay otras partículas que las unen o las separan, llamadas partículas mediadoras o partículas de fuerza. Hay cinco de estas: el fotón, el gluón, el Z0 y los W+ y W-. Finalmente, tenemos al Higgs que interacciona con todas las demás comunicándoles una resistencia al movimiento - a esa resistencia al movimiento los físicos la llamamos masa -. El Higgs interacciona más intensamente con unas que con otras y por eso algunas tienen una masa mayor. Pero no interacciona con el fotón ni con los gluones y esa es la razón de que éstas no tengan masa.

El Gran Colisionador de Hadrones también estableció la naturaleza líquida del universo primigenio. Sus estudios del universo temprano, mediante choque de núcleos atómicos han encontrado que, cuando el universo tenía unos microsegundos de edad, la temperatura era del orden de cinco billones de grados y se comportaba como un líquido que fluía sin resistencia. De manera que todo: nebulosas, estrellas, galaxias y planetas provienen de ese líquido perfecto. 

En el tiempo que le queda de utilidad, el Gran Colisionador de Hadrones nos dará más información de los principios fundamentales del cosmos. Mientras tanto, los físicos ya están pensando en el proyecto que lo sucederá. 

Hoy sabemos que todo lo que existe está hecho de 6 quarks y 6 leptones a las que llamamos partículas de materia. Sabemos que hay otras partículas que las unen o las separan, llamadas partículas mediadoras o partículas de fuerza

El Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN) en Ginebra, Suiza, ha trabajado en el diseño de una máquina para acelerar protones a la que ha llamado Future Circular Collider (FCC) o Colisionador Circular del Futuro. Esta es la propuesta europea para actualizar sus herramientas de descubrimiento.  

En la carrera por desarrollar los mejores instrumentos hay un proyecto que destaca. China tiene una propuesta agresiva y busca convertirse en el jugador principal de la arena internacional y para eso promueve la construcción de un Colisionador de Electrones y Positrones (CEPC por sus siglas en inglés). Este proyecto plantea la excavación de un gigantesco túnel en forma de anillo con un perímetro de 100 kilómetros. En dos puntos del enorme círculo se harían chocar a los electrones con su antipartícula, llamada positrón (anti-electrón), a la portentosa energía de 250 Giga-electronvoltios. 

Para tener una idea de lo que esta energía significa, pensemos en el acelerador de electrones más grande en Latinoamérica que está en Brasil, el cual acelera electrones hasta que estos alcanzan una energía de 3 Giga-electronvoltios. Es decir, “El Señor de los Anillos” chino tiene una energía casi 100 veces mayor.

De ser aprobado el fenomenal complejo experimental costaría por lo menos 6 mil millones de dólares. La construcción podría iniciar en el año 2022. Esto sería lo ideal si queremos que el nuevo acelerador comience a operar en 2030 cuando el Gran Colisionador de Hadrones deje de funcionar. 

El proyecto chino tiene mano izquierda: porque a más largo plazo, es decir, en el año 2040, en el mismo túnel se construiría el Super Proton Proton Collider (SPPC). Esta sería una maquina parecida al actual Gran Colisionador de Hadrones, pero con una energía de entre 70 y 100 Tera-electrónvoltios, es decir, entre 5 y 7 veces mayor. Los chinos tienen ya seis sitios en su país donde la máquina podría ser construida, por ahora, el favorito parece ser la ciudad portuaria Qinhuangdao que se encuentra a 300 kilómetros al este de Pekín. 
 

El Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN) en Ginebra, Suiza, ha trabajado en el diseño de una máquina para acelerar protones a la que ha llamado Future Circular Collider (FCC) o Colisionador Circular del Futuro. Esta es la propuesta europea para actualizar sus herramientas de descubrimiento.  
Foto: Gran Colisionador de Hadrone

 
Este proyecto ha recibido el apoyo de gente como Stephen Hawking quien dejó una “carta de recomendación” antes de morir (abril 2 de 2018) firmada junto con Gordon Kane titulada: “¿Debe China construir el siguiente acelerador?”. Entre otras cosas, el texto señala que es posible que la supersimetría se encuentre a energías mayores.

La supersimetría es una idea teórica según la cual, todos los tipos de partículas que vemos son en realidad la manifestación de una sola. Esto va en la dirección unificadora que llena todas las aspiraciones de los físicos. Sin embargo, para que esta simetría se realice en la naturaleza es necesario que exista una partícula adicional para cada una de las ya conocidas y listadas en la tabla (ver figura). Cada una de las partículas que mostramos tendría asociada una contraparte super simétrica. Sin embargo, ninguna de estas ha sido vista por el Gran Colisionador de Hadrones. No hay, hasta ahora, un “super quark u”, ni un “super electrón”, etc. 

Al respecto Gordon Kane y Stephen Hawking decían: “Cuando en 1979 se descubrió el quark “belleza” (denotado como quark “b” en nuestra tabla), todo mundo consideró que la existencia del siguiente quark llamado “verdad” (denotado como quark “t” en nuestra tabla), era algo natural. Este quark sería un poco más pesado. Sin embargo, el nuevo quark acabó siendo descubierto con una masa 40 veces mayor a la del quark “belleza”. Más aún, se lo encontró 20 años después. Si las partículas súper simétricas fueran 40 veces más pesadas que los bosones Z (que ya conocemos y que son 91 veces más pesados que el hidrógeno), ya no serán vistos en el Gran Colisionador de Hadrones”.

El Gran Colisionador de Hadrones ha buscado arduamente partículas súper simétricas sin tener éxito y cada día que pasa los ánimos se reducen. Las esperanzas de ver estas novedosas minucias de la materia se desplazan lentamente hacia lo que será el nuevo acelerador.

Es muy probable que China se convierta en el nuevo centro internacional de la física de partículas elementales sustituyendo el protagonismo que tiene Europa en este momento con el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

Autor: Gerardo Herrera Corral
Es profesor titular del Departamento de Física del Centro de Investigación y De Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (CINVESTAV). Es líder del trabajo de los científicos mexicanos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN). Es autor de los libros "El Universo, la historia más grande jamás contada" y "El azaroso arte del engaño", entre otros.