En 2008, un haz de protones se deslizó por primera vez alrededor del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más poderoso del mundo. Ahora, una década después, es hora de hacer un balance de lo que hemos aprendido gracias a esta instalación y lo que nos espera.
Esta contabilidad incluye tanto la investigación futura que el LHC puede llevar a cabo como las posibles nuevas instalaciones que podrían colisionar partículas con energías mucho más allá de lo que el LHC puede lograr. Se han propuesto dos, o tal vez tres, posibles reemplazos para el LHC. Entonces, revisemos dónde estamos y dónde hemos venido en la última década.
La historia del LHC es emocionante y turbulenta, con eventos que van desde daños desastrosos a los enormes imanes del instrumento en los primeros días de operaciones, hasta un ascenso similar a un ave fénix de esa tragedia, seguido de descubrimientos sólidos y emocionantes, incluido el descubrimiento El bosón de Higgs. Ese hallazgo les valió a Peter Higgs y Francois Englert el Premio Nobel, ya que habían predicho la partícula hace más de medio siglo. Es inusual que el mundo siga rápidamente las noticias de física de partículas, pero el anuncio del descubrimiento de Higgs condujo a los noticieros de todo el mundo.
Encontrar nueva física
Los físicos también estaban al borde de sus asientos, esperando lo que esperaban que fueran descubrimientos inesperados. Durante casi medio siglo, los científicos han tenido la comprensión teórica actual del comportamiento de la materia subatómica elaborada. Este entendimiento se llama el Modelo Estándar de la física de partículas.
El modelo explica el comportamiento observado de las moléculas y los átomos de la materia ordinaria e incluso de los bloques de construcción conocidos más pequeños jamás observados. Estas partículas se llaman quarks y leptones, con quarks que se encuentran dentro de los protones y neutrones que comprenden el núcleo del átomo y los electrones son el leptón más familiar. El modelo estándar también explica el comportamiento de todas las fuerzas conocidas, excepto la gravedad. Es realmente un logro científico extraordinario.
Sin embargo, el Modelo Estándar no explica todas las cosas en física teórica. No explica por qué los quarks y los leptones parecen existir en tres configuraciones distintas, pero casi idénticas, llamadas generaciones. (¿Por qué tres? ¿Por qué no dos? ¿O cuatro? ¿O uno? ¿O 20?) Este modelo no explica por qué nuestro universo está hecho completamente de materia, cuando la comprensión más simple de la teoría de la relatividad de Albert Einstein dice que el universo también debería contener una cantidad igual de antimateria.
El Modelo Estándar no explica por qué los estudios del cosmos sugieren que la materia ordinaria de los átomos constituye solo el 5 por ciento de la materia y la energía del universo. Se cree que el resto consiste en materia oscura y energía oscura. La materia oscura es una forma de materia que experimenta solo la gravedad y ninguna de las otras fuerzas fundamentales, mientras que la energía oscura es una forma de gravedad repulsiva que impregna el cosmos.
Antes de las primeras operaciones del LHC, los físicos como yo esperaban que el destructor de átomos nos ayudara a responder estas preguntas desconcertantes. La teoría del candidato más comúnmente citada para explicar esos acertijos se llamó supersimetría. Sugiere que todas las partículas subatómicas conocidas tienen partículas de contrapartida "supercompañero". Estos, a su vez, podrían proporcionar una explicación para la materia oscura y responder algunas otras preguntas. Sin embargo, los físicos no han observado ninguna supersimetría. Además, los datos del LHC han descartado las teorías más simples que incorporan la supersimetría. Entonces, ¿qué ha logrado el LHC?
El LHC ha hecho mucho
Bueno, aparte de todo lo relacionado con el bosón de Higgs, el LHC ha aportado datos a sus cuatro grandes colaboraciones experimentales, lo que ha resultado en más de 2,000 artículos científicos. Dentro del LHC, las partículas se han estrellado entre sí a energías 6.5 veces más altas que las logradas por el Fermilab Tevatron, que obtuvo el título de acelerador de partículas más poderoso del mundo durante un cuarto de siglo, hasta que el LHC tomó esa corona.
Estas pruebas del modelo estándar fueron muy importantes. Cualquiera de esas mediciones podría haber estado en desacuerdo con las predicciones, lo que habría llevado a un descubrimiento. Sin embargo, resulta que el Modelo Estándar es una muy buena teoría, y realizó predicciones tan precisas en las energías de colisión del LHC como lo hizo para los niveles de energía en el Tevatron anterior.
Entonces, ¿es esto un problema? En un sentido muy real, la respuesta es no. Después de todo, la ciencia se trata tanto de probar y rechazar nuevas ideas erróneas como de validar las correctas.
Por otro lado, no se puede negar que los científicos habrían estado mucho más entusiasmados por encontrar fenómenos que no se habían predicho previamente. Los descubrimientos de ese tipo impulsan el conocimiento humano, que culmina en la reescritura de libros de texto.
La historia del LHC no ha terminado
¿Y ahora que? ¿El LHC ha terminado de contarnos su historia? Apenas. De hecho, los investigadores esperan mejoras en el equipo que les ayudará a estudiar preguntas que no pueden abordar utilizando la tecnología actual. El LHC cerró a principios de diciembre de 2018 por dos años de reformas y actualizaciones. Cuando el acelerador reanude sus operaciones en la primavera de 2021, volverá con un ligero aumento de energía, pero duplicará el número de colisiones por segundo. Teniendo en cuenta las futuras actualizaciones planificadas, los científicos de LHC hasta ahora han registrado solo el 3 por ciento de los datos esperados. Si bien llevará muchos años analizar todos los hallazgos, el plan actual es registrar aproximadamente 30 veces más datos de los que se han obtenido hasta la fecha. Con tantos datos por venir, el LHC todavía tiene mucha historia que contar.
Aún así, aunque el LHC funcionará probablemente durante otros 20 años, es perfectamente razonable preguntar también: "¿Qué sigue?" Los físicos de partículas están pensando en construir un acelerador de partículas de seguimiento para reemplazar el LHC. Siguiendo la tradición del LHC, una posibilidad colisionaría haces de protones a energías alucinantes: 100 billones de electronvoltios (TeV), que es mucho más grande que la capacidad máxima del LHC de 14 TeV. Pero lograr esas energías requerirá dos cosas: Primero, necesitaríamos construir imanes que sean dos veces más poderosos que los que empujan las partículas alrededor del LHC. Eso se considera desafiante pero alcanzable. En segundo lugar, necesitaremos otro túnel, muy parecido al LHC, pero bastante más de tres veces más grande, con una circunferencia de estadio de 100 kilómetros (61 millas), aproximadamente cuatro veces más grande que la del LHC.
Pero, ¿dónde se construirá este gran túnel, y cómo será realmente? ¿Qué rayos chocarán y con qué energía? Bueno, esas son buenas preguntas. No estamos lo suficientemente avanzados en el proceso de diseño y toma de decisiones para obtener respuestas, pero hay dos grupos de físicos muy grandes y exitosos que piensan en los problemas, y cada uno ha generado una propuesta para un nuevo acelerador. Una de las propuestas, impulsada en gran medida por grupos de investigación europeos, imagina la construcción de un acelerador adicional grande, muy probablemente ubicado en el laboratorio del CERN, a las afueras de Ginebra.
Según una idea, una instalación allí colisionaría con un haz de electrones y electrones antimateria. Debido a las diferencias entre los protones en aceleración en comparación con los electrones (un haz de electrones pierde más energía alrededor de la estructura circular que un haz de protones), este haz usaría el túnel de 61 millas de largo pero funcionaría a una energía más baja que si fueran protones. Otra propuesta usaría el mismo acelerador de 61 millas de largo para colisionar haces de protones. Una propuesta más modesta reutilizaría el túnel LHC actual pero con imanes más potentes. Esa opción solo duplicaría la energía de colisión por encima de lo que el LHC puede hacer ahora, pero es una alternativa menos costosa. Otra propuesta, ampliamente defendida por investigadores chinos, imagina una instalación completamente nueva, presumiblemente construida en China. Este acelerador también tendría aproximadamente 61 millas alrededor, y colisionaría electrones de electrones y antimateria juntos, antes de cambiar a colisiones protón-protón en aproximadamente 2040.
Estos dos proyectos potenciales todavía están en las etapas de conversación. Eventualmente, los científicos que hagan estas propuestas deberán encontrar un gobierno o grupo de gobiernos dispuestos a pagar la factura. Pero antes de que eso suceda, los científicos deben determinar las capacidades y tecnologías necesarias para hacer posibles estas nuevas instalaciones. Ambos grupos lanzaron recientemente documentación extensa y exhaustiva sobre sus diseños. Eso no es suficiente para construir sus instalaciones propuestas, pero es lo suficientemente bueno para comparar los rendimientos proyectados de los futuros laboratorios y comenzar a elaborar predicciones de costos confiables.
Investigar la frontera del conocimiento es una tarea difícil, y puede llevar muchas décadas desde los primeros sueños de construir una instalación de esta magnitud, a través de operaciones hasta el cierre de la instalación. Al conmemorar el décimo aniversario del primer rayo en el LHC, vale la pena hacer un balance de lo que logró la instalación y de lo que traerá el futuro. Me parece que habrá datos interesantes para que estudie la próxima generación de científicos. Y tal vez, solo tal vez, aprendamos algunos más de los fascinantes secretos de la naturaleza.
Don Lincoln es investigador de física en Fermilab. Es el autor de "El gran colisionador de hadrones: la historia extraordinaria del bosón de Higgs y otras cosas que te dejarán boquiabierto"(Johns Hopkins University Press, 2014), y produce una serie de educación científica videos. SIGUELO en Facebook. Las opiniones expresadas en este comentario son suyas.
Don Lincoln contribuyó este artículo a Live Science's Voces Expertas: Op-Ed & Insights.
