El LHC vuelve a la carga tras 4 años de parón: qué descubrirá el mayor acelerador de partículas

Algunos descubrimientos resultan históricos para el mundo de la ciencia y a la vez difíciles de comprender para el público general. El hallazgo del bosón de Higgs es el mejor ejemplo reciente: fue uno de los grandes hitos de la investigación de todos los tiempos, protagonizó portadas y ocupó horas y horas en los medios de comunicación, casi siempre para intentar explicar en qué consistía el hallazgo. Dentro de pocas semanas se cumplirá el décimo aniversario del anuncio de la observación de esta nueva partícula, que le da masa a todas las demás y cuya detección completaba el Modelo Estándar de la Física de Partículas. Todo ocurrió en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, el mayor acelerador de partículas del mundo, que está a punto de volver a ponerse en marcha después de un prolongado parón.

Ubicado cerca de Ginebra, junto a la frontera entre Francia y Suiza, el LHC es un gigantesco anillo subterráneo: 27 kilómetros de circunferencia a 100 metros de profundidad. El objetivo es hacer chocar partículas que viajan con muchísima energía y a una velocidad cercana a la de la luz, y observar el resultado. El pasado 22 de abril se dio el primer paso para su puesta en marcha por tercera vez: dos protones comenzaron a circular por el anillo en direcciones opuestas. Sin embargo, solo era una primera prueba. El nuevo periodo de funcionamiento, conocido como Run 3, arrancará oficialmente el 4 de agosto. ¿Por qué lleva más de tres años sin funcionar? ¿Qué descubrimientos realizará esta vez? ¿Volverá a cambiar la historia de la ciencia?

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En realidad, esta gran infraestructura científica funciona en distintas fases que alternan actividad y descanso a lo largo de periodos de tres años. La primera fase, llamada Run 1 (2010-2012), permitió encontrar el famoso bosón. A continuación, se detuvo durante otro trienio (2013-2015) y continuó con la fase Run 2 (2016-2018). El último periodo de descanso ha sido entre 2019 y 2021 y está finalizando ahora. ¿Cuál es el motivo de que el LHC esté parado la mitad del tiempo? Sencillamente, “hay que hacer muchas revisiones, cambiar muchas piezas de los detectores porque hay mucha radiación”, explica a Teknautas Celso Martínez Rivero, investigador en el Grupo de Física de Partículas e Instrumentación del Instituto de Física de Cantabria (IFCA, centro mixto del CSIC y la Universidad de Cantabria) y representante en España del detector CMS, uno de los grandes experimentos del LHC.

“Los detectores reciben las señales, pero esto implica soportar tanta radiación que dejan de funcionar. Por eso, cada cierto tiempo, tenemos que parar el acelerador”, comenta. Cuando funciona, esta infraestructura se encuentra a -269 °C, así que hay que calentarla durante varias semanas hasta que alcanza la temperatura normal del ambiente, momento en el que se puede abrir para cambiar las piezas irradiadas. En definitiva, es una parada para actualizar una maquinaria tremendamente compleja, porque no solo se trata del mayor acelerador de partículas del mundo, sino de que “los detectores, que son los que observan las colisiones de las partículas, también son los mayores instrumentos construidos por el ser humano”, destaca Martínez Rivero.

Qué vamos a buscar

Lo cierto es que el LHC cumplió su gran objetivo nada más iniciar su andadura, hace más de una década. “Fue construido para buscar el bosón de Higgs. Si no aparecía, todo el Modelo Estándar de la física estaba mal”, recuerda el investigador del IFCA. Entonces, ¿qué busca ahora? “Es 'terra incognita', no lo sabemos”, reconoce el científico, “es la física más puntera y por eso no sabemos lo que vamos a encontrar”. En cualquier caso, van a buscar algo que destaque “por encima del fondo”, en lenguaje de los expertos. Es decir, “ponemos los datos conocidos en el fondo y, si los resultados no se salen de ahí, es todo conocido; pero, si de repente se separa algo del fondo, es que hay algo nuevo”.

A pesar de que han pasado 10 años y “no hemos encontrado nada más”, reconoce el investigador, ahora entran en juego nuevos elementos. En particular, el LHC contará con más energía. Cuando se encontró el bosón de Higgs, funcionaba con una colisión de 7 y 8 teraelectronvoltios (TeV), mientras que en la fase Run 2 se alcanzaron los 13 TeV y ahora se llegará a 13,6. También se registrarán más colisiones que nunca. No obstante, los físicos destacan sobre todo que esta vez aumentará la luminosidad de los haces y que esto permitirá estudiar muchos más procesos.

“Una vez encontrado el bosón de Higgs, tenemos que estudiar todas sus propiedades con mucho cuidado, sobre todo tenemos que entender cómo esta partícula da masa al resto de las partículas”, comenta Carmen García, responsable del experimento ATLAS en el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia). Es un trabajo laborioso, porque hay algunas partículas que son muy débiles, de manera que, para sacar conclusiones, “necesitamos mucha estadística de datos”.

No obstante, el gran reto será “buscar física que no esté dentro del Modelo Estándar, sino que vaya más allá”, porque “sabemos que no es un modelo perfecto, que tiene lagunas”, destaca la investigadora, y esas carencias podrían ponerse de manifiesto si aparecen nuevas partículas o si se descubren procesos inesperados. Para los físicos de partículas, encontrar algo que no coincide con el modelo que describe casi a la perfección el comportamiento de la materia convencional no es un problema, sino más bien un sueño, porque “habría mucho trabajo por delante”, reconocen.

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Materia oscura y supersimetría

¿Qué se podría encontrar? “Una de las cosas que más nos interesa ahora es buscar la materia oscura”, explica la investigadora. Esa parte del universo es similar a la materia ordinaria, pero que resulta imposible de detectar porque “no emite luz ni interacciona con el resto de la materia, aunque podría tener una masa muy importante. Queremos ver si la podemos producir en el LHC”, afirma. El resto es muy complejo, porque, precisamente por sus características, si se llega a producir, “no va a dejar ningún rastro en ningún detector”, apunta. La señal de que está ahí sería, paradójicamente, “que falta energía” y tendría que producirse junto con otras partículas que sí podrían detectarse.

¿Eso significa que pueden aparecer nuevas partículas, como el bosón de Higgs? Los investigadores creen que todo es posible. “Una de las posibilidades es que el bosón de Higgs no sea único, sino que haya toda una familia de bosones”, apunta García. De hecho, podría aclarar algunos resultados que son desconcertantes para la comunidad científica, como el hallazgo de que la masa del bosón W es distinta a la que debería ser, según ha encontrado recientemente el acelerador de partículas Tevatron (ubicado cerca de Chicago, EEUU), que fue el más potente del mundo, precisamente, hasta que empezó a funcionar el LHC. “Esto puede ser un indicio de que hay nueva física por estudiar”, comenta la investigadora.

Otro reto es demostrar la supersimetría, una teoría que incluye al Modelo Estándar, pero que a la vez añade a cada partícula otra superpartícula que serviría para explicar los datos que no encajan. “El Modelo Estándar funciona muy bien, pero sabemos que no es la teoría definitiva porque a altas energías no coincide con lo que se observa. La supersimetría lo engloba y sería ideal como modelo, pero todavía no se ha podido comprobar”, señala Martínez Rivero.

España y el futuro anillo de 90 kilómetros

España paga 80 millones de euros al año al CERN (cada país contribuye en función de su PIB) y participa en tres experimentos o detectores: ATLAS, CMS y LHCb. Esto supone que más de un centenar de investigadores del país están contratados para este trabajo y firman artículos relacionados con los resultados más punteros de la física mundial. “Cuando empecemos a tomar datos este verano, además de trabajar desde el despacho, tenemos que hacer turnos para controlar que la adquisición de datos se realiza de forma adecuada”, comenta Carmen García. Los científicos de Valencia, dentro de ATLAS, tienen la responsabilidad de asegurarse de que “la reconstrucción del camino que han recorrido las partículas se hace con la suficiente precisión”. También operan uno de los calorímetros que miden la energía.

Sin embargo, el trabajo previo a la recogida de datos a lo largo de todo el periodo de parada también es gigantesco. “El CERN pone el acelerador, pero el detector, que es como un inmenso microscopio que ve la colisión de las partículas, está montado por nosotros”, indica Celso Martínez Rivero. “El IFCA ha trabajado desde 1995 produciendo sensores láser”, pone como ejemplo. En definitiva, antes de que todo se ponga en marcha, son imprescindibles muchos años de preparación.

Por eso, a la vez que exprimen los resultados del LHC ya piensan en un futuro nuevo acelerador, el Future Circular Collider (FCC), que también estará en el CERN. Empezaría a funcionar en 2050, pero ya está en fase de diseño. En este caso, tendrá un anillo de más de 90 kilómetros que ya está en proceso de estudio. “Están analizando por dónde va a pasar, qué tipo de rocas puede atravesar o si hay manantiales de agua. En 2025 tendrán los resultados y se decidirá la longitud concreta”, explica el físico del IFCA.

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