Un choque electrón-ion. [BNL]

EIC es el acrónimo de Electron-Ion Collider, un acelerador de partículas que será construido durante los próximos diez años en el BNL (Brookhaven National Laboratory). Es considerado un puente hacia la física del futuro, ya que intentará probar o refutar las teorías actuales de la física subnuclear. El coste estimado para su puesta en funcionamiento varía entre los 1600 y los 2600 millones de dólares, por lo que parece apropiado preguntarse si su puesta en marcha merece la pena.

¿Cuál será el beneficio efectivo para la población mundial tras haber gastado estos fondos públicos tratando de realizar nuevos descubrimientos científicos? Según una anécdota quizás apócrifa, es la misma pregunta que William Gladstone planteó a Michael Faraday sobre sus estudios sobre la electricidad, a lo que Faraday rápidamente respondió "No lo sé, excelencia; pero estoy seguro de que encontraréis la manera de gravarla". Hoy conocemos la utilidad de la corriente eléctrica... ¡y cuáles son los beneficios de los impuestos que la gravan!

¿Qué beneficios se pueden obtener en el futuro de la construcción de un nuevo, e innovador, acelerador de partículas?

El gran físico estadounidense Leon Lederman subrayó en uno de sus libros la importancia de la investigación científica, sobre todo desde el punto de vista económico. Hace muchos años se barajó la idea de la construcción del acelerador de partículas más grande del mundo en los EE. UU.; idea que fue rechazada, al estar caracterizada por el su coste excesivo y unos tiempos de desarrollo inadecuados a las directivas de la administración pública. No mucho tiempo después se construyó el colisionador de partículas LHC en el CERN, en Europa, considerado hoy en día el "microscopio" más potente del mundo, ya que puede acelerar las partículas a una energía muy elevada. Con el paso del tiempo no solo ha colmado los costes de construcción, sino que además ha conseguido conectar muchísimos centros de investigación, sobre todo europeos, con el objetivo del progreso científico, convirtiendo Europa en el continente más prolífico en este sector.

Muchas de las revoluciones tecnológicas más importantes, ligadas a la medicina o a la ingeniería, han sido debidas a un avance en la física. Basta recordar los estudios sobre la electricidad y el magnetismo de Faraday citados anteriormente, que llevaron a un cambio notable en nuestro estilo de vida, o el descubrimiento de los positrones, las antipartículas de los electrones, que son utilizados en medicina nuclear. ¿Y cómo se puede olvidar la famosísima ecuación de Einstein, que dio lugar (por desgracia) al desarrollo de la bomba atómica? Quizás hemos olvidado que el desarrollo de los láseres estuvo principalmente asociado al descubrimiento de la distinción entre el spin semientero (fermiones) y entero (bosones) de las partículas cuánticas. Estos últimos pueden acumularse en el mismo estado cuántico, descubrimiento que suscitó la curiosidad de físicos e ingenieros y condujo al desarrollo del láser o los condensados de bosones.

Hoy en día los láseres son utilizados cotidianamente en medicina, no solo para fines estéticos en dermatología, sino también en oftalmología, fisioterapia, fototerapia e incluso como terapia fotodinámica contra algunos tipos de tumores. Todo esto para resumir que la ciencia es una potente herramienta, ya que proporciona una palanca potencial hacia un futuro mejor. Volviendo al acelerador de partículas EIC, ningún científico podrá decir en este momento con certeza a qué descubrimientos dará lugar, pero si aprendemos de la historia somos conscientes de que justificará su coste, empleado en buenas manos.

Los científicos implicados en la construcción del EIC subrayan que, para la puesta en marcha del proyecto, es necesario conseguir avances considerables en tecnologías que podrían ser útiles mucho más allá del placer del descubrimiento en física. Gracias a ellos se podrá

• atacar células tumorales;
• producir radioisótopos para diagnóstico y tratamiento;
• crear microprocesadores más potentes;
• desarrollar nuevos tipos de baterías, células solares, ...;
• desarrollar nuevas medicinas y tratamientos médicos.

¿Qué quiere realmente comprobar el nuevo acelerador EIC?

El Modelo Estándar (SM) es una teoría física que encierra tres de las cuatro interacciones fundamentales conocidas de la Naturaleza: la interacción electromagnética, la nuclear fuerte y la débil. Aunque este modelo describe muy bien todos los resultados experimentales a los que resulta aplicable, se piensa que no es la "teoría definitiva", en primer lugar porque no explica algunos de los fenómenos observados tanto en estudios astrofísicos como en ciertos experimentos de física de partículas, y en segundo lugar porque muchos científicos prefieren imaginar un "Universo elegante", en el que la teoría básica para describirlo sea única, lo que significa conciliar las cuatro interacciones fundamentales conocidas (las arriba mencionadas más la gravedad) en una sola.

¿Cuál es el principio de funcionamiento del futuro acelerador?

La instalación comprenderá dos aceleradores distintos: uno producirá y acelerará haces de electrones, mientras en el otro se acelerarán núcleos ionizados de átomos pesados o bien haces de protones de alta energía.

Plano del EIC. [<a href="https://www.bnl.gov/world/" target="_blank">BNL</a>]

Este principio de funcionamiento ya es conocido desde los experimentos de dispersión inelástica profunda de electrones por nucleones (protones o neutrones) realizados durante el siglo pasado, que permitieron obtener información sobre la estructura nuclear: mientras los electrones pueden ser considerados partículas elementales, es decir sin estructura interna, los nucleones presentan una estructura compuesta, en cuyo interior residen otras partículas, los "quarks". Estos últimos son partículas fundamentales que juegan, en el interior de los protones y neutrones, a intercambiarse colores, un tipo de carga similar a la electromagnética. El intercambio ocurre a través de un mediador, llamado "gluon". El término deriva del inglés "glue", "pegamento", ya que la partícula actúa como un colágeno para las otras partículas en el interior de la materia. ¿Se ha preguntado alguna vez el lector por qué la repulsión electromagnética entre los protones de los núcleos atómicos, todos con cargas positivas, no resulta en la desintegración del núcleo? Pues bien, es precisamente gracias a la interacción nuclear fuerte que el núcleo permanece intacto: la interacción nuclear fuerte es unas 100 veces más intensa que la electromagnética a esta escala.

Los tipos de quark determinan la carga de las partículas compuestas y sus "números cuánticos" (spin, isospín, paridad, ...). El aspecto más fascinante es que en el interior de estas estructuras compuestas que llamamos protones y neutrones se producen continuamente parejas de quark y antiquark (antipartículas de los quarks) y gluones, los mediadores del juego. En la imagen que sigue aparece una estructura compuesta prevalentemente por dos tipos de quark, rojos y azules, que flotan en un mar de otras partículas con otros colores.

Una impresión artística del interior de un protón. <a href="http://cern.ch" target="_blank">[CERN]</a>

Entender con detalle lo que ocurrirá durante las colisiones es el desafío del nuevo milenio, porque quedan numerosas preguntas por responder con suficiente certidumbre, que suscitan el interés de muchos científicos. Mi primera pregunta es:

¿Cuál es exactamente la estructura interna del protón y del neutrón?

Es una pregunta que los científicos se plantean desde hace más de cincuenta años. En detalle, la estructura de las partículas está definida por los llamados “factores de forma”, que describen la distribución de cargas en su interior y dependen de la escala a la que estamos observando la materia. La escala está definida por la configuración de nuestro experimento: cuanto mayor es la energía con la que se hacen chocar las partículas, mayor es la profundidad a la que conseguimos estudiar la materia; es decir, es lo que determina la potencia de nuestra lente de aumento.

Aunque los factores de forma electromagnéticos han sido investigados en varias configuraciones, los factores de forma débiles, que describen la estructura de las partículas desde el punto de vista de las interacciones débiles, son menos conocidos. Por otra parte, es necesario obtener una precisión mayor para el llamado factor de forma axial, ya que es determinante para los experimentos de dispersión cuasi-elástica de neutrinos por protones, en los que la interacción ocurre a través de la fuerza débil. Los neutrinos son partículas realmente elusivas, porque interactúan muy raramente con la materia, y solo en tiempos recientes los experimentos de oscilaciones de neutrinos han probado que son masivos.

A pesar de su elusividad, los neutrinos son responsables de muchas travesuras. Podrían contener las respuestas a varios problemas cosmológicos y nucleares planteados desde hace tiempo; en particular, la asimetría entre materia y antimateria. Según la teoría del Big Bang, las partículas y antipartículas fueron producidas en iguales cantidades; sin embargo, el mundo en que vivimos parece ser gobernado principalmente por materia, si dejamos a un lado la “materia oscura”. Pero existen procesos que involucran estas partículas elusivas y que podrían explicar al menos en parte la asimetría de nuestro Universo.

Uno de los objetivos de EuroPLEx, en el que estoy involucrado, consiste en mejorar nuestro conocimiento sobre los choques de neutrinos con protones, mejorando los cálculos de la contribución relacionada con la compleja estructura interna del protón. Para ello utilizaremos superordenadores como la instalación QPACE3 en Jülich, Alemania: la quinta instalación más potente de la clasificación Green500 de superordenadores energéticamente eficientes cuando fue inaugurada su primera fase a finales de 2016, y aún hoy en día un ejemplo de cómo combinar la ciencia de punta con una mayor sostenibilidad energética y tecnológica para avanzar en la comprensión del Universo a nivel fundamental.

 

Este post ha sido escrito por Lorenzo Barca, investigador del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Ratisbona. [Traducción: IFT UAM-CSIC]

Agradecemos la financiación recibida del Programa para la Investigación y la Innovación Horizon 2020 de la Unión Europea, como parte del acuerdo Marie Skłodowska-Curie No. 813942 (EuroPLEx).

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EuroPLEx (European network for Particle physics, Lattice field theory and Extreme computing) es una Red de Formación Innovadora Marie Skłodowska-Curie, financiada por la Comisión Europea como parte del programa H2020 y en la que participan nueve grandes instituciones de toda Europa.

Nuestra misión es formar a investigadores e investigadoras predoctorales en las áreas de física teórica y física de partículas, con énfasis en la cromodinámica cuántica, la teoría que describe el comportamiento de quarks y gluones.

Sobre este blog

Un blog colectivo sobre quarks, superordenadores y (des)confinamiento, de los investigadores de la Red Europea EuroPLEx.

Los autores agradecen la financiación recibida del Programa para la Investigación y la Innovación Horizon 2020 de la Unión Europea, como parte del acuerdo Marie Skłodowska-Curie No. 813942 (EuroPLEx).

 

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