Una nueva manera de acelerar partículas

Una vez halladas todas las piezas del modelo estándar, descubrir nuevas partículas elementales podría requerir una tecnología revolucionaria.

Simulación por ordenador de una colisión entre electrones y positrones acelerados por plasma. [F. TSUNG, W. AN/UNIVERSIDAD DE CALIFORNIA EN LOS ÁNGELES Y LABORATORIO NACIONAL DE ACELERADORES SLAC]

En síntesis

En 2012, el hallazgo del bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN permitió completar el modelo estándar de la física de partículas. Sin embargo, desde entonces no se han descubierto nuevas partículas elementales.

Encontrar la siguiente partícula elemental podría requerir construir aceleradores mucho más potentes que el LHC. Pero, con las técnicas actuales, el tamaño y el coste de una máquina semejante comienzan a tonarse prohibitivos.

Una nueva técnica, la aceleración basada en plasma, promete alcanzar energías muy elevadas con instrumentos mucho menores y más baratos que las actuales. Con todo, llevarla a la práctica aún exigirá sortear varios obstáculos.

A principios del siglo XX, los científicos apenas conocían los componentes esenciales del mundo físico. Sin embargo, a finales de siglo no solo habían descubierto todos los elementos químicos que componen la materia observable, sino también una gran cantidad de partículas aún más fundamentales y que dan lugar a nuestro universo, a nuestro planeta y a nosotros mismos. La herramienta responsable de esta revolución fue el acelerador de partículas.

El momento cumbre de los aceleradores de partículas llegó en 2012, cuando el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) descubrió el largamente buscado bosón de Higgs. El LHC es un anillo acelerador de 27 kilómetros situado en el CERN, cerca de Ginebra. En él se hacen chocar dos haces de protones con una energía de unos 7 billones de electronvoltios (TeV) cada uno. Se trata del instrumento científico más grande, más complejo y posiblemente más caro jamás construido. El bosón de Higgs era la última pieza del modelo estándar, la teoría actual de la física de partículas. No obstante, en los casi diez años transcurridos desde ese hallazgo, no ha aparecido ninguna otra partícula elemental, ni en ese acelerador ni en ningún otro.

¿Hemos descubierto ya todas las partículas que cabía encontrar? Es poco probable. El modelo estándar no incluye la materia oscura, una sustancia que abunda en el universo pero que se cree formada por partículas invisibles. Una extensión popular del modelo estándar, la supersimetría, predice muchas más partículas de las que conocemos. Y otras preguntas profundas siguen también sin respuesta; entre ellas, si existen dimensiones adicionales del espacio, o por qué en el universo observable hay una marcada asimetría entre la materia y la antimateria. Para resolver estos enigmas, es muy posible que necesitemos un colisionador de partículas más potente que los actuales.

Numerosos científicos apoyan el proyecto conocido como Colisionador Lineal Internacional (ILC), un acelerador rectilíneo que produciría colisiones a una energía de 250.000 millones de electronvoltios (GeV). Aunque no sería tan potente como el LHC, el ILC haría chocar electrones y positrones, sus homólogos de antimateria. Y dado que, al contrario que el protón, estas partículas son fundamentales, cabe esperar que generen datos mucho más «limpios» que las colisiones que se llevan a cabo en el LHC. Pero, por desgracia, el diseño del ILC requiere una instalación de unos 20 kilómetros de largo y su coste previsto supera los 8500 millones de euros, un precio tan elevado que hasta ahora ningún país se ha comprometido a acogerlo.

Entretanto, hay planes para aumentar la energía del LHC hasta los 27 TeV en el túnel actual aumentando la intensidad de los imanes superconductores que sirven para curvar la trayectoria de los protones. Además, el CERN ha propuesto un colisionador electrón-positrón y protón-protón de 100 kilómetros de circunferencia, denominado Futuro Colisionador Circular (FCC). Tal instrumento podría alcanzar la insólita energía de 100 TeV. Sin embargo, es probable que cueste tanto o más que el ILC. E incluso si acaba construyéndose, no sería posible comenzar a trabajar en él hasta pasado 2035, cuando el LHC dejará de operar.

No obstante, estos descomunales y caros instrumentos no son la única opción de la que disponen los físicos de partículas. Desde los años ochenta se han estado desarrollando ideas alternativas para seguir investigando el mundo subatómico. Una de ellas es la de un acelerador basado en plasma: una propuesta muy prometedora para lograr un colisionador con energías del orden del TeV que podría ser más compacto y mucho más económico que los actuales

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