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Future Circular Collider: Así será el laboratorio más grande de la historia

Federico Kukso 19 / Aug / 19
El sucesor del actual Gran Colisionador de Hadrones (LHC) tendrá un anillo de 100 km. Comenzaría a funcionar en 2050, y buscará responder grandes preguntas sobre el universo como el origen de la materia oscura

Toma unos 33 minutos llegar desde la tumba de Jorge Luis Borges en el Cementerio de los Reyes en Ginebra, Suiza, al CERN. Solo hay que caminar unos ocho minutos a paso acelerado y subirse al tranvía número 18. Y una vez allí, antes de descender en la llamada Explanada de las Partículas de la Organización Europea para la Investigación Nuclear, lo primero que uno advierte es una gran escultura metálica.

Como un imán, atrae todas las miradas. Incluso la de los vecinos que ven a diario cómo hordas de turistas se acercan a conocer la sede oficial del mayor laboratorio de investigación en física de partículas del mundo.

Titulada “Wandering the Immeasurable”, esta obra de 15 toneladas realizada por el artista canadiense Gayle Hermick se asemeja ligeramente a una cinta de Moebius. Con algunas diferencias: en sus caras se leen unos 396 grandes descubrimientos de la física a través de los siglos, de los avances matemáticos de los antiguos mesopotámicos y el teorema de Pitágoras a la famosa ecuación einsteniana y el modelo estándar de la física de partículas.

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Nicola Turini, vicepresidente del experimento TOTEM en el túnel del LHC | Foto: Cortesía

Uno puede quedarse viéndola por horas. Hasta que se advierte que en la punta de esta cinta metálica curvada falta algo. Hay un espacio vacío para agregar nuevos hallazgos.

Aquí saben que aún hay muchos misterios del universo por resolver. De hecho, no fue hace mucho —en 2012— cuando los científicos que trabajan en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) al fin confirmaron la existencia del bosón de Higgs, una partícula que había eludido a los investigadores desde que se propuso por primera vez en 1964.

Desde entonces, este acelerador de partículas circular y subterráneo de 27 km no ha hallado  sorpresas tan espectaculares en sus continuas colisiones de protones a 99,9999991 % de la velocidad de la luz, la ruta más prometedora para comprender de qué está hecha la materia y cómo se mantiene unida.

Lo que significa solo una cosa: que para develar los componentes últimos del universo hay que ir más allá del rango de energía de esta megamáquina de más de una década de funcionamiento. Para resolver las más grandes preguntas hay que construir los microscopios más grandes.

Los físicos del CERN se han vuelto ambiciosos. Y ya planean los detalles del sucesor del LHC: el Future Circular Collider (FCC), mucho más grande, rápido y poderoso.

Todos reconocen que con el final del LHC a la vista, debemos comenzar a prepararnos para el próximo gran proyecto”, dice el físico teórico Michelangelo Mangano. “Los desafíos son obtener el consenso de la comunidad, lograr el apoyo político y la financiación.

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Impresión artística de una colisión de partículas en el futuro colisionador del CERN | Imagen: CERN

El nuevo monstruo de la física

Para aprender sobre los componentes interiores de la materia, los físicos en la década de 1930 inventaron ciclotrones y otras máquinas capaces de acelerar las partículas cargadas a energías altísimas y así dividir los núcleos de los átomos.

Desde entonces, modelo tras modelo, estos megamicroscopios se volvieron más colosales. En los 90s, Estados Unidos parecía estar al frente en la carrera por conocer la intimidad de la realidad. Por entonces, se estaba construyendo en Waxahachie, Texas, el túnel donde se instalaría el ambicioso Super Collider Superconductor —conocido también como Desertron— que habría alardeado de llegar a niveles de energía 20 veces más altos que cualquier acelerador jamás construido. Pero la historia no terminó bien: el 21 de octubre de 1993, el Congreso mató oficialmente el proyecto.

Era demasiado caro. Ya se habían invertido dos mil millones de dólares en el proyecto y se estimaba que aun faltaban cuatro mil millones más para completarlo.
 
Entonces, los ojos de la comunidad física se reorientaron a Europa donde en 2012 los científicos del Gran Colisionador de Hadrones en Ginebra, Suiza, anunciaron la confirmación del bosón de Higgs ni más ni menos que un 4 de julio, el día de independencia de Estados Unidos. Se lo considera el evento más grande en física de nuestra generación.

Desde entonces, la gloria es europea. Y ahora el CERN no se quiere quedar atrás. Si bien está previsto que el LHC esté operativo hasta 2035 —luego de varias actualizaciones que lo mantendrán detenido durante los próximos dos años para aumentar su energía—, varios investigadores saben que ya hay que ir pensando en una era post-LHC.

Todavía sabemos muy poco sobre el bosón de Higgs y nuestra búsqueda de materia oscura continúa”, indica el físico de partículas Sergio Bertolucci, director de Investigación y Computación Científica del CERN. 

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Proyección de las dimensiones del Future Cicular Collider | Imagen: CERN
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Esquema del Futuro Colisionador Circular | Imagen: CERN

Diez veces más poderoso

En enero de este año, 1300 científicos presentaron un diseño conceptual para el nuevo acelerador, el Future Circular Collider: un anillo de 100 km en el que los protones chocarían entre sí a una velocidad de hasta 100 TeV, 10 veces más poderoso el LHC.

El nuevo acelerador subterráneo sería cuatro veces más grande que su antecesor. Contaría con 8000 imanes superconductores y se instalaría en un túnel mucho más profundo: a 300 metros de la superficie, por lo que pasaría por debajo del lago de Ginebra. Y podría comenzar a funcionar a fines de la década de 2050.

Es un gran salto, como planear un viaje no a Marte, sino a Urano”, dice Gian Francesco Giudice, director del Departamento de Física Teórica del CERN. “ La física de partículas siempre ha sido impulsada por el espíritu de exploración, hacia las profundidades del espacio-tiempo. Esta exploración nos ha recompensado con una visión sorprendente de las leyes fundamentales de la naturaleza. El mismo espíritu de exploración sigue siendo hoy la principal motivación para cualquier proyecto posterior al LHC. La exploración es el espíritu y la esencia de la investigación".

En opinión del Frédérick Bordry, director del Sector de Aceleradores y Tecnologías del CERN, el FCC permitiría acceder a escalas de energía sin precedentes, buscando nuevas partículas masivas, con múltiples oportunidades para grandes descubrimientos. Como Michelangelo Mangano, cree que una máquina tan poderosa como el FCC podría revelar por qué la materia domina sobre la antimateria en el universo y proporcionar pistas sobre cómo los neutrinos obtienen su masa.

No creo que podamos lograr un progreso significativo —escribió el premio Nobel Steven Weinberg— sin también empujar la frontera de la altas energías”

En enero de este año, 1300 científicos presentaron un diseño conceptual para el nuevo acelerador, el Future Circular Collider: un anillo de 100 km en el que los protones chocarían entre sí a una velocidad de hasta 100 TeV, 10 veces más poderoso el LHC. En la imagen el interior del LHC
Foto: Cortesía

Beneficios inimaginables

Como su tamaño, el costo estimado del Future Circular Collider también es monstruoso: entre 10,2 y 23,8 mil millones de dólares. Sus defensores advierten que es mucho pero también recuerdan los efectos económicos y culturales de estas fábricas de descubrimientos, además de la importancia de la cooperación internacional y el espíritu transnacional que promueven.

“Hay evidencia de que los colisionadores construidos hasta ahora han tenido grandes beneficios para la economía”, indica el físico Gordon Kane de la Universidad de Michigan. “El LHC tuvo un efecto extraordinario: la World Wide Web, por ejemplo, fue desarrollada por Tim Berners-Lee del CERN para resolver el problema de comunicación entre las universidades y laboratorios que analizan de forma remota los datos y resultados del LHC. Además, hubo contribuciones importantes en computación en red, imanes, cables superconductores y más. Incluso sin la Web, el LHC se ha pagado solo”.

Más allá de la nueva comprensión de nuestro universo que puedan impulsar, proyectos grandes y ambiciosos como el FCC conducen inevitablemente a innovaciones en varios campos. Al igual que el LHC, el Future Circular Collider requerirá nuevos desarrollos en imanes, superconductores, materiales, tecnologías de vacío y refrigeración, electrónica y computación a gran escala. Estas innovaciones se extenderán más allá de las fronteras de la física.

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Ilustración de la colision de partículas | Foto: Cortesía

Voces críticas

Sin embargo, el consenso científico no es total. No todos están convencidos de que haya que gastar tanto dinero en una máquina como el FCC. Una de las físicas que se oponen a esta nueva máquina es la física teórica Sabine Hossenfelder.

No hay razón para pensar que un próximo colisionador más grande encuentre evidencia de partículas de materia oscura”, indica esta investigadora del Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt en Alemania. “La verdad es que un próximo colisionador más grande cuesta una gran cantidad de dinero y probablemente no nos enseñará mucho. Es posible que si alcanzamos energías más altas, encontraremos nuevas partículas, pero actualmente no tenemos ninguna buena razón para pensar que esto sucederá”.

Otros dicen que el dinero podría gastarse mejor en otras áreas de investigación, como la lucha contra el cambio climático.

Aún así, las voces opositoras son las menos. Y el FCC entusiasma a gran parte de la comunidad por los posibles descubrimientos que podría hacer. No hay que olvidar que el Modelo Estándar no está completo. Y aún el 95 por ciento del universo es un misterio: solo el 5 por ciento es materia. El resto es materia y energía oscuras de las que no se sabe casi nada. 
"Recién hemos arañado la superficie de nuestra realidad -indica el físico Peter Higgs-, pero claramente tenemos mucho más por descubrir".

La gran máquina china

El año 2050 parece muy lejano pero no lo es tanto. Los proyectos de lo que se llama Big Science generalmente tardan décadas en planearse y construirse y otras décadas más en operar. El concepto del Gran Colisionador de Hadrones se introdujo en 1984. Se aprobó en 1994 y no se inauguró hasta 2009.

Aún así el Future Circular Collider no está solo. En China, hay conversaciones para la construcción del llamado Circular Electron Positron Collider a unos 280 km al este de Beijing, cerca de la ciudad portuaria de Qinhuangdao, que se encuentra al comienzo de la Gran Muralla.

Los planos revelan que el colisionador chino correría en un círculo a 100 metros bajo tierra y sería el doble del tamaño del LHC.

Nadie ha construido una máquina tan grande antes, y queremos minimizar el costo”, advierte el físico Wang Yifang, Director del Instituto de Física de Alta Energía de la Academia de Ciencias de China y autor intelectual del proyecto.

Los proyectos de lo que se llama Big Science generalmente tardan décadas en planearse y construirse y otras décadas más en operar. El concepto del Gran Colisionador de Hadrones se introdujo en 1984. Se aprobó en 1994 y no se inauguró hasta 2009
Foto: Cortesía

A comienzos de 2019, el gobierno de Japón decepcionó a muchos físicos al anunciar que no está listo para comprometerse a albergar el próximo acelerador de partículas: el International Linear Collider (ILC), un proyecto que lleva más de una década en desarrollo teórico.

El ILC estaba concebido como un colisionador linear de 20 kilómetros que realizaría estudios detallados del bosón de Higgs.

Así, además del Future Circular Collider, la comunidad científica también mira con atención las movidas de los científicos asiáticos. Ya en abril de 2018 Stephen Hawking alentaba para que la próxima gran máquina de la física se construyera en ese continente.

En un paper escribió: “China puede acelerar la expansión de su economía invirtiendo en un gran colisionador. De estas megainiciativas surgen nuevas tecnologías porque la física de partículas necesariamente está en las fronteras, y se necesitan nuevos enfoques y técnicas para interrogar a la naturaleza más profundamente”.

Sea el Future Circular Collider europeo o el Circular Electron Positron Collider chino, los físicos quieren seguir explorando territorios desconocidos.

Autor: Federico Kukso
Periodista científico independiente. 2015-16 Knight Science Journalism Fellow at MIT. Escribe sobre ciencia, tecnología y cultura para publicaciones como La Nación (Argentina), Undark (MIT), Muy Interesante Argentina, Agencia Sinc (España), Scientific American (Estados Unidos), Brando, Le Monde Diplomatique, Suplemento Soy de Página 12 (Argentina), Bank Magazine, entre otras. Fue editor de las secciones de ciencia en diarios como Página 12, diario Crítica de la Argentina y subeditor de la sección Ideas en la Revista Ñ (Clarín). Autor de los libros: Todo lo que necesitás saber sobre Ciencia y Dinosaurios del fin del mundo, entre otros.