El futuro del Gran Colisionador de Hadrones

Aunque entró en pausa, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el mayor acelerador de partículas en el mundo, seguirá aportando conocimientos científicos y nuevas tecnologías, pues los físicos a cargo de este experimento internacional ya trabajan para mejorarlo y luego, al final de su vida útil, sustituirlo.

El LHC es un anillo de 27 kilómetros de diámetro ubicado en la frontera franco-suiza, donde se hacen circular y chocar haces de partículas subatómicas (protones) a velocidades cercanas a la de la luz. Así se recrean las condiciones de presión y densidad que se supone tenía el universo primigenio en los primeros instantes del Big Bang, cuando aún no se formaba la materia nuclear.

Con este aparato, que tras su segunda pausa técnica será reiniciado a mediados de 2021, se detectó en 2012 el bosón de Higgs, una pieza clave en el "rompecabezas" del universo cuya existencia predijo en 1968 el físico inglés Peter Higgs para explicar cómo obtienen su masa e interactúan las otras partículas subatómicas.

Además de este hallazgo, galardonado con el Premio Nobel de Física en 2013, el LHC ha hecho muchas otras aportaciones científicas y tecnológicas, como el descubrimiento de otra partícula elemental exótica -el pentaquark, integrado por cuatro quarks y un antiquark- dado a conocer en 2015.

 El Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN), donde se aloja el aparato, ha revelado los planes para aumentar la luminosidad del LHC a partir de 2020 y luego construir a su sucesor: un acelerador de partículas que tendrá una circunferencia 4 veces mayor y será 10 veces más energético; funcionará a partir de 2035, según lo previsto.

En el primer caso se trata del proyecto High Luminosity Large Hadron Collider (HL LHC; Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad) que al mejorar su desempeño permitirá un aumento en las posibilidades de nuevos hallazgos.

“Entre 2020 y 2022 el LHC operará y, tal vez superará, su máximo de energía (7 Teraelectronvolts), porque así fue diseñado: la capacidad de los magnetos superconductores que forman el anillo estará a su máximo”, señala el investigador Arturo Menchaca Rocha.

En tales condiciones también podrá aumentarse la luminosidad del aparato, precisa el experto del Instituto de Física de la UNAM, quien participó con el equipo de científicos mexicanos que desarrolló el detector V0  para el experimento ALICE del LHC.

Menchaca Rocha explica el concepto de luminosidad —que depende de la geometría de los haces de partículas dentro del acelerador— con la analogía de un microscopio óptico: si se quiere un gran aumento en la visión, hay que incrementar también la cantidad de luz (fotones) en el foco.

Como en el LHC no se trabaja con fotones (no poseen carga eléctrica), sino con partículas subatómicas, los físicos requieren generar un gran campo eléctrico para aplicar la fuerza necesaria para acelerarlas, por lo tanto deben trabajar con aquellas que poseen carga.

Un aumento de luminosidad podría lograrse a través de un efecto parecido a “comprimir” y disparar partículas con una escopeta, en vez de hacerlo con una pistola: un incremento en la tasa de conteo de fenómenos observables. El CERN prevé que la luminosidad crezca en un factor de 10 respecto a su capacidad actual.

Vista al futuro

“Mientras más alta sea la luminosidad del LHC, mayor será la cantidad de datos que los experimentos podrán recabar para observar procesos raros”, describe el CERN en su página oficial.

Dichos procesos raros no pueden detectarse con el LHC en su estado actual. Por ejemplo, el HL LHC producirá unos 15 millones de bosones de Higgs cada año, en comparación con la cifra de 3 millones que generó en 2017.

Más allá de este proyecto, con un costo de 950 millones de francos suizos hasta 2026, el CERN ha delineado también la construcción de otro acelerador con una circunferencia de 100 metros y una capacidad de energía de colisiones de 100 Teraelectronvolts, esto es más de 10 veces la que posee el LHC.

El nombre de este proyecto es Future Circular Collider (Colisionador Circular del Futuro). El CERN prevé que empezará a operar al término de la vida útil del actual LHC, hacia el 2050. La planeación del mismo está a cargo de un equipo internacional de 150 universidades, centros de estudios y socios industriales.

A través de un reporte publicado en enero de este año, el CERN dio a conocer el diseño conceptual del nuevo aparato, que ya analizan grupos científicos para determinar tanto los aspectos de física como el tipo de detectores a usar.

Paralelamente, otros expertos analizan la infraestructura, operación y tecnologías requeridas, según informa el CERN. La propuesta incluye cavar un nuevo túnel debajo del LHC e instalar un anillo que inicialmente colisionará electrones con sus contrapartes de antimateria (positrones).

En una segunda etapa, el FCC hará colisionar protones y electrones; finalmente, en su tercera etapa, el nuevo acelerador chocará protones entre sí a una energía diez veces mayor en relación con el LHC. Con esto, los físicos podrán no sólo estudiar la antimateria, sino quizás descubrir nuevas familias de partículas.

Arturo Menchaca comenta que la puesta en marcha del sucesor del LHC dependerá no sólo de negociar aspectos presupuestales (costará unos 25 mil mmd) sino de los avances que registren países como China, que también planea construir un megacolisionador de 100 metros de circunferencia.

“Hoy en día hay ciertos proyectos que sólo pueden realizarse con el trabajo de grandes grupos de investigación. Y este es el caso del FCC. Pero en este momento, todo es una apuesta. Será un gran reto para las nuevas generaciones de físicos que participarán en este proyecto”, concluye el investigador nacional emérito del Instituto de Física.