Así será el futuro (y gigantesco) colisionador que permitirá estudiar la materia oscura

A finales de esta semana, Valencia se convertirá en el centro del mundo para los físicos de partículas. Allí se va a celebrar la 78ª reunión del Comité Internacional para Futuros Aceleradores (ICFA), y allí estarán directores y miembros de los principales laboratorios de todo el mundo que se dedican al estudio de las partículas que forman la materia que nos rodea. Entre los asuntos a tratar, y como el nombre de la reunión indica, se encuentra la construcción del acelerador que seguirá el camino marcado por el LHC, el Gran Colisionador de Hadrones que en 2012 confirmó la existencia del bosón de Higgs.

Un colisionador de hadrones es una herramienta científica enorme, complejísima y muy costosa de construir. Se trata de largos tubos (el LHC es un túnel circular de 27 kilómetros de circunferencia) en los que se hacen chocar haces de partículas a toda velocidad. Se basan en la más famosa de las ecuaciones de Einstein para transformar la energía en partículas, recreando durante unos breves instantes las condiciones que se dieron tras el Big Bang. Puesto que prácticamente ningún centro de investigación ni país podría hacer frente en solitario a la construcción de uno de estos instrumentos, en 1976 se creó este organismo para facilitar la cooperación entre científicos de distintas instituciones y países de forma que los esfuerzos fuesen coordinados y todo su potencial aprovechado.

Primero, actualizar el LHC

Eso es lo que están haciendo en la actualidad los físicos del CERN con el LHC: aprovechar al máximo todas sus posibilidades. Con solo dos años completos en funcionamiento, el LHC ya ha logrado uno de los mayores hitos en la física de partículas de las últimas décadas. El bosón de Higgs era una de las piezas principales que basaban en el modelo estándar, que describe cómo son las partículas que forman la materia y cómo estas interactúan entre ellas. Ahora se encuentra en su segundo periodo de operaciones, y está previsto que siga en funcionamiento al menos hasta 2035.

Diez años antes será sometido a una actualización, llamada HL-LHC, de High Luminosity Large Hadron Collider, o Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad. Con esta mejora, se espera que aumente la luminosidad, es decir, el ratio de colisiones de hadrones, unas diez veces respecto a su objetivo con el diseño original. Se trata de un cambio importante en una máquina muy compleja, y serán necesarios unos 10 años para implementarla.

Se espera que esto permita medir de forma mucho más precisa nuevas partículas y sus propiedades, así como procesos desconocidos, imposibles de observar de momento. Especialmente, los físicos de partículas esperan que esto permita echar un vistazo más allá del modelo estándar y empezar a descubrir aspectos de momento inaccesibles como la materia oscura.

El Futuro Colisionador Circular

Pero con la vista puesta en el medio plazo, incluso esta versión mejorada del LHC se quedará corta y será necesario construir un nuevo colisionador que sirva para mantener el liderato europeo en la física de partículas. "En vez de buscar un bosón de Higgs, podremos experimentar con miles de ellos", explicaba Guido Tonelli en esta entrevista a Teknautas. El proyecto para estudiar esta posibilidad ha sido bautizado como FCC (Futuro Colisionador Circular) y sustituiría al LHC en la década de 2030. Se encuentra en fase de diseño y de captación de miembros, y está de enhorabuena: esta semana reclutaba a su socio número 100.

De momento es solo un proyecto, pero ya se conocen algunos detalles de cómo sería este gigantesco acelerador de partículas: el más espectacular, que medirá entre 80 y 100 kilómetros de circunferencia, casi cuatro veces más que los 27 kilómetros del LHC. También multiplicaría casi por 10 la energía del acelerador actual: de 13 a 100 TeV. Basándose de nuevo en la ecuación de Einstein, la intención es que incrementando la energía se incremente la masa de las partículas que resulten de las colisiones. "El potencial físico, de la precisión en las mediciones a la exploración de un nuevo régimen energético, resulta intrigante. También lo son los desafíos técnicos que tenemos que superar para alcanzar esos objetivos", explica el CERN en la descripción del proyecto.

El proyecto para el FCC está orientado a un colisionador de hadrones (partículas compuestas por cuarks, como los protones), y eso significa que parte de la tecnología en uso en el actual colisionador podrá ser aprovechada. Con este colisionador de hadrones y los nuevos niveles de energía, se espera ampliar el espectro en el que encontrar indicios de partículas de materia oscura, así como producir miles de millones de bosón de Higgs para entender mejor sus propiedades.

Pero una propuesta alternativa es construir un colisionador de electrones y positrones leptones (similar al que sirvió de antecedente al actual LHC) como paso intermedio hacia el enorme colisionador de hadrones. Este otro tipo de dispositivos, por la 'limpieza' de sus condiciones experimentales, tienen un gran historial midiendo partículas conocidas con gran exactitud, y se espera que puedan hacer lo mismo con otras partículas aun desconocidas. Con ratios altos de luminosidad y mejorando el manejo de los haces de leptones, se cree que podrían darse las condiciones para aprender más sobre las partículas Z, W, el bosón de Higgs y otras.

Por último, se plantea la posibilidad de crear un acelerador que haga chocar protones y electrones, unos contra otros, y observar qué ocurre después. Este instrumento sería una mezcla entre una fábrica de bosones de Higgs de alta precisión y un poderoso microscopio para observar nuevas partículas, estudiar sus interacciones y analizar la subestructura de la materia.