El director del estudio sobre el futuro acelerador de partículas del CERN explica que su gran reto será la búsqueda de materia oscura
Los físicos del siglo XXI son ambiciosos: quieren descubrir de qué está hecho el universo en su totalidad. Hasta ahora, la máquina más potente jamás construida para diseccionar la materia, el acelerador de partículas LHC, ha logrado desvelar los ingredientes de solo el 5% del universo. ¿Y el resto? Para desvelar lo que falta, la materia y la energía apodadas oscuras, se necesita un acelerador aún más poderoso. Los físicos quieren que empiece a funcionar a partir de 2035. Para decidir cómo será este súper-heredero del LHC pusieron en marcha hace dos años un estudio en el que participan 86 instituciones de 29 países. Su director, Michael Benedikt, del CERN, expone este jueves, 15 de septiembre, el estado de este trabajo en la Fundación BBVA, en Madrid.
13 septiembre, 2016
“El descubrimiento del bosón de Higgs durante el muy exitoso Run 1 del LHC [el primer periodo de operaciones del LHC] permitió completar el Modelo Estándar [la teoría que describe las partículas de la materia que conocemos, y sus interacciones]. Pero las preguntas relevantes siguen ahí: la materia oscura, la asimetría entre la materia y la antimateria, la masa del bosón de Higgs… Y están exacerbadas por la falta de evidencia, por ahora, de una nueva física”, dice Benedikt. A largo plazo, estas preguntas “demandan imperiosamente” una nueva máquina que opere a una energía muy superior a la del LHC, y que permita así explorar otros componentes del universo.
“Dado el tiempo necesario para diseñar y construir una máquina tan compleja, es el momento de pensar en una ambiciosa instalación post-LHC”, afirma Benedikt, que pronunciará la conferencia El futuro Colisionador Circular (FCC): desafíos técnicos y detectores, junto con José Miguel Jiménez, director del Departamento de Tecnología del CERN. Introducirá a ambos ponentes Francis Pérez, director de la División de Aceleradores de ALBA.
De 27 a 100 kilómetros
En los aceleradores de partículas, las partículas subatómicas son aceleradas hasta casi la velocidad de la luz; cuando chocan entre sí, la gran energía que llevan se convierte en nuevas partículas con más masa. Estas partículas dan pistas sobre qué había en universo en el pasado -cuando era mucho más caliente, más energético, que ahora-, y también sobre qué hay en el presente, y por qué. El LHC es el mayor acelerador en marcha en la actualidad y consiste en un anillo subterráneo de 27 kilómetros situado cerca de Ginebra, que alcanza los 13 TeV de energía. Se espera que, tras una gran operación de mejora en 2025, opere hasta 2035.
La máquina heredera del LHC será sin duda más grande. Poco más hay seguro. Incluso su forma está en discusión: circular, o lineal. Benedikt dirige el estudio FCC (Future Circular Collider), que plantea un anillo subterráneo de entre 80 y 100 kilómetros, y que llegue a una energía de 100 TeV. La posibilidad de un acelerador lineal, el proyecto Colisionador Lineal Compacto (CLIC) fue presentada el pasado junio junio en la Fundación BBVA por los físicos del CERN Steinar Stapnes y Lucie Linssen.
“Las características precisas del siguiente colisionador a alta energía del CERN se determinarán en función de los resultados del LHC durante el Run 2, que indicarán cuáles serán las prioridades”, señala Benedikt; “creo que hay una competencia saludable entre ambos proyectos, algo que también redunda en útiles sinergias”. Él no confiesa preferencias:
“Personalmente estoy a favor de una máquina que permita explorar de la manera más eficiente una serie de posibilidades físicas, de escenarios, que podrían responder algunas de las respuestas más profundas de la física moderna”.
Incluso dentro de la modalidad circular las opciones son múltiples -varían por ejemplo el tipo de partículas que se hacen colisionar-. Analizar cada una está entre los fines del estudio que dirige Benedikt, quien asegura que “los aceleradores que exploramos dentro del estudio FCC podrían proporcionar un rico programa de física para las próximas décadas”. El estudio FCC deberá estar completado en 2019.“Personalmente estoy a favor de una máquina que permita explorar de la manera más eficiente una serie de posibilidades físicas, de escenarios, que podrían responder algunas de las respuestas más profundas de la física moderna”.
Construir un acelerador de 100 kilómetros y 100 TeV de energía plantea importantes desafíos: “No hablamos de un LHC a mayor escala, sino de una máquina totalmente nueva. Esto significa que tenemos que desarrollar nuevas tecnologías y nuevos conceptos para construir y operar una infraestructura de investigación tan grande”.
Dos de los principales retos tecnológicos proceden de la investigación en superconductividad y se refieren al desarrollo de imanes más potentes y de nuevas estructuras de aceleración. También serán necesarios nuevos detectores, tecnologías de criogenia y de vacío, lo que va unido a “una intensa labor de I+D en áreas de ingeniería, tecnología y física aplicada”. El estudio FCC aborda además todo lo relativo a cómo alojar los equipos e incluso las estrategias de gobierno, y los costes, de una colaboración internacional de gran calibre. “En estos dos últimos años hemos avanzado significativamente en todos estos ámbitos”, dice Benedikt.
Más allá del “Modelo Estándar
Sobre el tipo de ciencia que hará posible la máquina heredera del LHC, Benedikt no alberga dudas. Incluso en el caso de que el LHC no alcance a ver lo que hay más allá del modelo estándar.
“El siguiente descubrimiento puede estar a la vuelta de la esquina, y en unos pocos meses podríamos estar hablando con entusiasmo del descubrimiento de la primera partícula supersimétrica. Sin embargo, incluso si la supersimetría no se confirma en el LHC no deberíamos abandonar el esfuerzo de entender cómo funciona la naturaleza. Hay una lección importante de principios del siglo XX: incluso cuando nuestras teorías se demuestran equivocadas podemos estar descubriendo algo inesperado, algo verdaderamente revolucionario, como ocurrió con la mecánica cuántica”.
Fuera de las fronteras del Modelo Estańdar están la materia y la energía oscuras. “Claramente la búsqueda de la materia oscura es una de las posibilidades que ofrecen los aceleradores que estamos estudiando en el FCC”, prosigue Benedikt. “Las búsquedas de materia oscura son una de las principales motivaciones para construir un acelerador post-LHC. Además, un Futuro Colisionador Circular también podría ofrecer indicios de energía oscura. Las mediciones en los colisionadores a alta energía son una manera efectiva de entender qué es la energía oscura, y cómo encaja con los campos descritos por el modelo estándar”.
Datos biográficos:
Michael Benedikt es doctor en Física de Aceleradores por la Universidad de Viena. Inició su carrera en el campo del diseño de aceleradores médicos como miembro del grupo de estudio de las aplicaciones médicas de los aceleradores de protones e iones del CERN. Al acabar el doctorado se unió al grupo de operación de la cadena de aceleradores del CERN en 1997, donde dirigió diferentes equipos antes de ser nombrado jefe adjunto del Grupo de Operación en 2006, cargo que ocupó hasta finales de 2013.
Lideró entre 2005 y 2008 el estudio del sincrotrón PS2 de alto rendimiento como opción futura para reemplazar el sincrotrón de protones (PS). A partir de 2008 y hasta 2013 fue líder del proyecto para el diseño y la construcción del complejo de aceleradores del centro austríaco de terapia de hadrones MedAustron en Wiener Neustadt. En 2013 fue nombrado líder del Estudio FCC, el Futuro Colisionador Circular del CERN, cuya finalidad es desarrollar el diseño conceptual para futuros colisionadores circulares en la era pos-LHC. Aparte de sus actividades en el CERN, se dedica a la enseñanza de la Física de Aceleradores en la Universidad Tecnológica de Viena.