El nuevo proyecto del CERN es construir un mecanismo que será casi cuatro veces más grande que el dispositivo más grande que existe. Pero, ¿para qué es exactamente?
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es posiblemente uno de los dispositivos más misteriosos del mundo. Se asienta en un túnel circular de 27 kilómetros de largo en la frontera entre Francia y Suiza, y su principal tarea es colisionar las partículas más pequeñas del universo.
Este mecanismo se hizo famoso en todo el mundo en 2012, cuando el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) anunció el descubrimiento del bosón de Higgs. La teoría de la existencia de esta partícula elemental apareció hace muchas décadas, los cálculos matemáticos detrás del modelo estándar de partículas elementales asumieron que existe, pero nadie pudo arreglarlo antes del experimento en el LHC.
Y ahora el CERN habla de planes para el futuro. Desde 2009 se han realizado experimentos con la ayuda del LHC con interrupciones para actualizar el mecanismo. Ahora, tal descanso, y el LHC se lanzará nuevamente en 2021, después de lo cual funcionará durante varias décadas más.
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Pero los proyectos existentes son tan ambiciosos que el CERN ha estado discutiendo una propuesta para construir un sucesor del LHC durante varios años. Y ahora los empleados de la organización están listos para contar su visión del futuro.
Ahora llamado Future Circular Collider (FCC), los planes para su construcción se anunciaron en enero de 2019. El BCC es mucho más grande y más poderoso que el acelerador actual. Si bien esto es solo un plan, aún no ha sido aceptado. Si se implementa el plan, los experimentos en el BCC comenzarán en la década de 2040.
Según el CERN, el costo total de la construcción ascenderá a poco más de 200 mil millones de coronas (más de 1,5 billones de rublos, aproximadamente Transl.). Los países miembros de la organización financiarán el proyecto durante varias décadas. Noruega es uno de los 22 países miembros del CERN y contribuirá con aproximadamente 240 millones de coronas (más de 1.800 millones de rublos) en 2019.
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Pero, ¿por qué necesitamos un nuevo acelerador de partículas, qué esperan lograr los científicos con él?
Túnel muy largo
El LHC se coloca en el mismo túnel que el acelerador de partículas anterior, solo se colocó un nuevo relleno allí. El trabajo del dispositivo anterior se redujo en 2000.
Pero se construirá un túnel completamente nuevo de 100 kilómetros de largo para el BCC. Debido a la mayor longitud del acelerador de partículas, las partículas chocarán con mucha más fuerza.
“Durante cien años, la colisión de pequeños trozos de materia con gran fuerza ha sido quizás el método experimental más importante para estudiar la estructura y composición de la materia”, dice Anders Kvellestad, físico de partículas del Imperial College de Londres.
De hecho, el plan del CERN contempla la construcción de varios dispositivos en un mismo túnel, que se ubicarán uno tras otro. El primer mecanismo colisionará electrones y positrones, y se puede utilizar para realizar mediciones y estudios más precisos, por ejemplo, el bosón de Higgs, sobre el que se sabe lejos de todo.
También será posible detectar rastros cuánticos de partículas desconocidas completamente nuevas sin realizar observaciones directas.
¿Nueva física?
Además de otros experimentos que involucran las colisiones de electrones y núcleos de átomos de plomo, se planea construir más adelante un mecanismo muy poderoso por el cual los protones colisionarán con los protones en el túnel.
“En física de partículas, la colisión de un protón con un protón se asemeja a un mazo, mientras que la colisión de un electrón con un positrón se puede comparar con un pequeño martillo geológico. El primero da más poder, mientras que el segundo es más preciso.
La potencia del haz de partículas en sí se mide en teraelectronvoltios (TeV). El LHC, de 27 kilómetros de largo, puede manejar 14 TeV, mientras que el nuevo acelerador soportará una potencia de hasta 100 TeV.
Las energías más altas le permiten "atraer" partículas más masivas que pueden no haber sido observadas antes, y es posible que los resultados de tales experimentos den una idea de una física completamente nueva, explica Kvellestad.
Porque el universo todavía está lleno de cosas que los científicos no comprenden. Por ejemplo, no hay respuesta a la pregunta de qué son realmente la energía oscura y la materia oscura, aunque son conceptos centrales en nuestra comprensión actual del universo.
También hay un gran problema en la física moderna. La relatividad general y la teoría cuántica de campos, que describe partículas elementales, no coinciden. Actualmente no existe una explicación para la gravedad en sí, que encaja en ambos modelos.
Independientemente de cómo se mire, hay algo que falta en la comprensión del universo. Se ofrecen muchas explicaciones, pero los investigadores necesitan pruebas.
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Y los físicos esperaban que el actual acelerador de partículas del LHC proporcionara una pista sobre la nueva física. Esto aún no ha sucedido, pero el LHC funcionará durante muchos años más.
“Ahora sabemos todo acerca de algunas discrepancias pequeñas pero interesantes entre la teoría y la práctica en los datos existentes. Por lo tanto, espero que los resultados de la próxima ronda de trabajo del LHC nos muestren si estas discrepancias se deben a la "nueva física" o son solo variaciones estadísticas”, dice Kvellestad.
Pero también existen algunas dudas sobre los planes para construir nuevos aceleradores de partículas.
¿Realmente hará algo?
La física alemana Sabine Hossenfelder es una de las críticas a la propuesta de MCC. Escribió un libro sobre cómo la física se preocupa demasiado por la "belleza" de las ecuaciones.
En una columna de The New York Times, critica el proyecto, en particular, por el hecho de que el CERN lo ofrece con las mismas promesas hechas antes de la construcción del LHC: encontrar materia oscura y esclarecer el origen del universo.
El problema es que ese resultado no se puede garantizar de ninguna manera, dice Hossenfelder. Los físicos estaban casi seguros de que encontrarían el bosón de Higgs con la ayuda del LHC, pero ahora no tienen objetivos tan prometedores.
La supersimetría es una teoría que predijo la existencia de varias partículas diferentes que podrían llenar los vacíos en el modelo estándar, pero estas partículas aún no se han abordado en los experimentos.
Hossenfelder sostiene que la física debería estar explorando otras posibilidades por ahora, y es mejor esperar con la construcción de un gran acelerador, enfocándose en la pregunta de por qué las supuestas partículas no aparecieron en el LHC.
Si está interesado, puede leer más sobre las críticas al proyecto en su blog. También dice que si, con la ayuda del LHC, en los próximos años, es realmente posible encontrar algo, entonces el panorama puede cambiar.
Investigación básica
“Después del descubrimiento del bosón de Higss, ya no tenemos ninguna 'garantía' teórica de que encontraremos nuevas partículas en experimentos de la próxima generación, - dice Anders Kvellestad. - Pero en realidad solo significa que la física de partículas ha vuelto a ser bastante normal para estado de investigación, cuando nadie sabe qué se puede revelar en el próximo experimento.
"Hay varios ejemplos de descubrimientos en la historia de la física que nadie previó".
Kvellestad cree que incluso si los físicos no están de acuerdo sobre qué esperar de estos experimentos, esto no debería ser un argumento en contra de realizar grandes experimentos nuevos.
Gracias a los nuevos aceleradores de partículas, los científicos podrán investigar y medir mejor las partículas ya conocidas, dijo Kvellestad.
¿Necesita construir un mecanismo más grande, pero no ahora?
“No hay duda de que el camino futuro de la investigación de la física de partículas pasa por un mecanismo más amplio”, dice Bjørn Samset, investigador del Centro Cicero para la Investigación Internacional del Medio Ambiente y el Clima. Es un físico de partículas elemental de formación y trabajó en el CERN.
"La única pregunta es si es hora de construirlo o si es mejor concentrarse en otras cosas por ahora".
También cree que la física probablemente se beneficiaría más si primero se evaluaran otros proyectos con más detalle, lo que podría ayudar a comprender mejor qué podría encontrar exactamente el nuevo dispositivo.
Samset cita la materia oscura como ejemplo.
"Muchos esperaban que el LHC tuviera suficiente energía para crear las partículas de las que podría estar hecha la materia oscura".
Se han propuesto muchas teorías y algunas se han refutado, pero muchas aún deben verificarse. La pregunta es si no sería mejor centrarse en otros métodos, como los sensores especiales, con los que se puede capturar directamente la materia oscura.
Si se construye el BCC, esto no sucederá pronto, pero Samset enfatiza que es muy importante discutir dichos proyectos con anticipación.
“El peligro de esperar es la pérdida de experiencia. Los técnicos del CERN son verdaderos magos, hacen que el acelerador haga cosas increíbles. Si no empezamos a planificar el próximo proyecto ahora, se podría perder gran parte de esta experiencia.
Al mismo tiempo, cree que la experiencia se puede transferir en el marco de otros proyectos. Pero confía en que se seguirán construyendo grandes aceleradores.
"Tal mecanismo debería construirse, y se construirá, pero ¿tal vez sea demasiado pronto todavía?"
Lasse Biørnstad
