Los físicos del CERN han desvelado el proyecto de un enorme destructor de partículas de 100 km de circunferencia que se utilizaría para estudiar el bosón de Higgs con un detalle sin precedentes, así como para buscar nueva física. Hoy se ha publicado el informe de diseño conceptual del Futuro Colisionador Circular (FCC), un colisionador de partículas subterráneo que se conectaría con el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) existente cerca de Ginebra.
Desde que el LHC se encendió por primera vez en 2008, el colisionador de partículas de 27 km de circunferencia ha estado haciendo chocar protones a energías de hasta 13 TeV en la búsqueda de nuevas partículas. En 2012, los físicos anunciaron que habían descubierto el bosón de Higgs con una masa de 125 GeV. Esto hizo que François Englert y Peter Higgs recibieran el Premio Nobel de Física 2013 por el trabajo de predicción teórica de la partícula. Sin embargo, desde entonces no se ha encontrado ninguna partícula más allá del Modelo Estándar, como las compañeras supersimétricas.
Aunque el LHC todavía funcionará durante algunas décadas más antes de que se apague definitivamente, durante más de tres décadas los físicos han estado llevando a cabo R&D en colisionadores lineales que algún día podrían ser el sucesor del LHC. Uno de los principales esfuerzos de diseño es el Colisionador Lineal Internacional (ILC), que aceleraría electrones y positrones utilizando cavidades superconductoras. Como los electrones y los positrones son partículas fundamentales, sus colisiones son más limpias que las de protón-protón en el LHC, por lo que son ideales para estudiar las partículas con gran detalle.
Japón es el único país que ha mostrado interés en albergar el ILC, pero el gobierno japonés ha dado largas a la decisión de acoger la máquina. Esto ha obligado a los físicos a reducir recientemente su diseño para el ILC de 500 GeV a 250 GeV, y se espera que el gobierno japonés tome una decisión final para acoger el ILC en marzo.
Sin embargo, los físicos de partículas siguen viendo ventajas en mantener los grandes colisionadores circulares, sobre todo porque tienen mucha experiencia en su construcción. De 1989 a 2000, por ejemplo, el CERN operó el Gran Colisionador de Electrones-Positrones (LEP), que estaba en el mismo túnel que ahora alberga el LHC y realizó mediciones precisas de los bosones Z y W. Y dada la masa relativamente baja del bosón de Higgs, un colisionador circular podría producir mayores luminosidades sin sufrir enormes pérdidas por la radiación de sincrotrón, lo que afectaría a un colisionador que operara a energías más altas de 500 GeV.
Estudios de precisión
El proyecto FCC fue iniciado en 2013 por la comunidad europea de física de partículas con una reunión celebrada al año siguiente en Ginebra para comenzar a trabajar en el informe. El nuevo informe de diseño conceptual, de cuatro volúmenes, estudia la viabilidad de construir un colisionador circular de 100 km y examina la física que podría llevar a cabo esa posible máquina. En primer lugar, propone la construcción de un túnel subterráneo de 100 km que albergaría un colisionador de electrones y positrones (FCC-ee). Esta máquina constaría de 80 km de imanes de curvatura para acelerar el haz, así como de imanes cuadrupolares que enfocan el haz antes de colisionarlo en dos puntos del anillo.
El informe de diseño conceptual del FCC es un logro notable. Muestra el tremendo potencial del FCC para mejorar nuestro conocimiento de la física fundamental y hacer avanzar muchas tecnologías con un amplio impacto en la sociedad
Fabiola Gianotti
El FCC-ee -cuyo coste se estima en unos 9.000 millones de dólares, de los cuales 5.000 millones se emplearían en la construcción del túnel- operaría a cuatro energías durante un periodo de 15 años. El colisionador comenzaría a 91 GeV, produciendo alrededor de 1013 bosones Z durante cuatro años, antes de operar a 160 GeV para producir 108 partículas W+ y W- durante un período de dos años. Aunque las partículas W y Z ya han sido medidas por el colisionador LEP, se estima que la máquina FCC-ee mejoraría dichas mediciones en un orden de magnitud.
Al funcionar entonces a 240 GeV durante tres años, el FCC-ee se centraría en crear un millón de partículas de Higgs. Esto permitiría a los físicos estudiar las propiedades del bosón de Higgs con una precisión un orden de magnitud mejor que la que es posible hoy en día con el LHC. Por último, el colisionador se apagaría durante un año para prepararlo para funcionar a unos 360 GeV y producir un millón de pares top y antitop durante cinco años. Unas mediciones más precisas de estas partículas podrían indicar desviaciones de las predicciones del Modelo Estándar que podrían apuntar a una nueva física.
Una vez completado el programa de física del FCC-ee, el mismo túnel podría utilizarse para albergar un colisionador protón-protón (FCC-hh) de la misma manera que el LEP dio paso al LHC. «El FCC podría ser una respuesta a la acción del LEP y del LHC», afirma el teórico John Ellis, del Kings College de Londres. «Un colisionador protón-protón ofrecería la mejor oportunidad para descubrir nuevas partículas».
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El FCC-hh utilizaría el LHC y sus aceleradores pre-inyectores para alimentar el colisionador que podría alcanzar una energía máxima de 100 TeV – siete veces mayor que el LHC. Sin embargo, para producir tales energías de colisión sería necesario desarrollar nuevos imanes que funcionen con campos magnéticos más altos para dirigir el haz alrededor del colisionador. El LHC trabaja actualmente con imanes superconductores de 8 T fabricados con aleaciones de niobio-titanio (NbTi). Los imanes superconductores se utilizan porque permiten el flujo de altas corrientes sin disipar energía debido a la resistencia eléctrica. Sin embargo, el FCC-hh, con haces de 50 GeV, necesitaría imanes de 16 T fabricados con un superconductor de niobio-estaño (Nb3Sn).
Actualmente, el LHC está siendo sometido a una parada de dos años para mejorar su luminosidad -una medida de la tasa de colisiones de partículas- en un factor de 10. Bautizado como LHC de alta luminosidad (HL-LHC), pretende poner a prueba este material utilizando imanes dipolares superconductores de 11 T de Nb3Sn. Sin embargo, es necesario llevar a cabo más R&D antes de poder utilizarlos a 16 T. Dada la necesidad de R&D, así como los elevados costes de construcción de los imanes, el coste estimado del FCC-hh sería de unos 15.000 millones de dólares, frente a los 13.000 millones del coste total del LHC.
Ejecutar este esfuerzo como una colaboración global es realmente importante. Esto abre la posibilidad de importantes contribuciones en especie
Michael Benedikt
El FCC-hh tendría una luminosidad total integrada de alrededor de 15-20 ab-1 -un factor de 5-10 más que la producida en el HL-LHC- y correspondiente a 1010 bosones de Higgs producidos. También se utilizaría para buscar nuevas partículas con masas más elevadas que las posibles en el LHC, así como para descubrir o descartar la existencia de partículas térmicas de materia oscura conocidas como WIMPs. Al igual que el LHC, el FCC-hh también podría utilizarse como colisionador de iones pesados, haciendo chocar iones de plomo a 39 TeV para estudiar efectos como el plasma de quark-gluones. Se estima que el colisionador estaría operativo durante al menos 25 años para «proporcionar una herramienta de investigación hasta finales del siglo XXI».
«El informe de diseño conceptual del FCC es un logro notable. Muestra el tremendo potencial del FCC para mejorar nuestro conocimiento de la física fundamental y hacer avanzar muchas tecnologías con un amplio impacto en la sociedad», afirma la directora general del CERN, Fabiola Gianotti. «A la vez que presenta nuevos y desalentadores retos, el FCC se beneficiaría enormemente de la experiencia, el complejo de aceleradores y las infraestructuras del CERN, que se han desarrollado a lo largo de más de medio siglo.»
Muéstrame el dinero
Dado el enorme coste de la construcción del FCC, éste necesitaría un amplio apoyo de la comunidad, por lo que los responsables del CERN se han ocupado de crear una colaboración en los últimos años que ahora está formada por 135 instituciones de 34 países. «Llevar a cabo este esfuerzo como una colaboración global es realmente importante», afirma el físico del CERN Michael Benedikt, que dirige el proyecto del FCC. «Esto abre la posibilidad de que se produzcan importantes contribuciones en especie de partes expertas en la construcción de partes de una máquina de este tipo».
Incluso si los físicos consiguen apoyo financiero para construir el FCC, está la cuestión de cuándo empezar a construir la máquina. Una opción es empezar duplicando la energía del LHC hasta unos 30 TeV con una mejora de alta energía (HE-LHC). Sin embargo, Benedikt cree que es posible obviar el HE-LHC e ir directamente al FCC. En este caso, el programa del HL-LHC se desarrollaría en paralelo a la construcción del túnel del FCC antes de detenerse hacia 2037. El FCC-ee comenzaría entonces a funcionar hacia 2040.
Construyendo el próximo colisionador
Pero el CERN no es el único que está desarrollando nuevos diseños de colisionadores circulares. En noviembre, los físicos de China dieron a conocer el diseño conceptual de su propio túnel de 100 km, que primero albergaría una máquina de electrones y positrones antes de acoger un colisionador de protones que funcionaría a 100 TeV. Aunque la construcción del colisionador chino podría comenzar antes que la del FCC, Benedikt afirma que hay muchas similitudes entre ambos diseños. «Eso es algo bueno», añade Benedikt. «El considerable esfuerzo realizado por China confirma que se trata de una opción válida y que existe un amplio interés por una máquina de este tipo.»
Análisis: ¿Volvemos a dar vueltas?
Es una pregunta bastante simple, pero la respuesta está resultando bastante complicada: ¿es un colisionador circular o lineal la mejor manera de avanzar para llevar a cabo mediciones precisas del bosón de Higgs?
Aunque el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN ha estado produciendo una copiosa cantidad de bosones de Higgs desde que la partícula fue descubierta en 2012, las colisiones protón-protón no son la mejor manera de estudiar las propiedades precisas de una partícula. Esto se debe a que los protones no son partículas elementales y, por tanto, sus colisiones producen residuos que afectan a la precisión de las mediciones.
Sin embargo, esto no ocurre cuando se chocan electrones con positrones y es por ello que los físicos de partículas quieren construir una máquina de este tipo para estudiar el bosón de Higgs y tratar de detectar cualquier pequeña desviación que pueda dar pistas de la física más allá del Modelo Estándar.
Durante años, los físicos han estado diseñando colisionadores lineales que operarían en la escala TeV. Uno de estos diseños punteros es el Colisionador Lineal Internacional (ILC), que Japón ha mostrado interés en albergar, aunque en una encarnación más barata que funciona a 250 GeV.
Debido a la necesidad de superar las pérdidas de energía de la radiación sincrotrón a medida que los electrones son acelerados alrededor del anillo, los colisionadores lineales ofrecen una mayor luminosidad -una medida de la tasa de colisiones de partículas- en comparación con sus homólogos circulares para energías de colisión superiores a 400 GeV. Sin embargo, a energías inferiores a este umbral, los colisionadores circulares tienen mejor luminosidad que los lineales – y también pueden albergar múltiples detectores alrededor del anillo.
Si la masa del bosón de Higgs fuera de unos 500 GeV o más, la mayoría estaría de acuerdo en que un colisionador lineal ofrece el mejor camino a seguir. Pero como la masa del bosón de Higgs es de 125 GeV, se ha lanzado una bola curva de luminosidad bastante grande. Esto ha devuelto a los colisionadores circulares a la mesa de dibujo y durante los últimos cinco años los físicos han estado diseñando posibles alternativas. Esto ha dado lugar a dos propuestas recientes: el Futuro Colisionador Circular (véase el texto principal) y el Colisionador Circular de Electrones y Positrones de China, cuyo diseño se dio a conocer el pasado mes de noviembre.
Si bien los diseños circulares deben soportar el coste de la construcción de un enorme túnel subterráneo, lo compensan con creces en cuanto a versatilidad y al hecho de que los físicos tienen décadas de experiencia en su construcción. Por ejemplo, el mismo túnel de 100 km podría utilizarse también para una máquina protón-protón que funcionara a 100 TeV y que sirviera para buscar nuevas partículas.
La tecnología tanto para un ILC como para un colisionador de electrones-positrones de 100 km está lista, pero dado el abultado precio de ambos, todos los diseños necesitarían una gran colaboración internacional. De hecho, se cree que Japón sólo ofrecería financiar la mitad del coste del ILC, de 7.500 millones de dólares.
Si sólo se construye una máquina, como parece probable, la cuestión es cuál. Las líneas de batalla se han trazado.