Recientemente el CERN, ese prestigioso centro de investigación europeo cuyo interés primordial es develar la estructura de la materia a nivel microscópico y construir y probar la teoría que hay detrás de los datos observados en sus experimentos de colisiones de partículas, dio a conocer un reporte en el que presenta diferentes proyectos de lo que podría ser el siguiente paso en el desarrollo de su infraestructura en aras de continuar investigando lo que hay más allá (el plus ultra) de ese edificio  de la física de partículas elementales que llamamos el Modelo Estándar y que sintetiza el estado actual de nuestro conocimiento sobre cuáles son los bloques fundamentales a partir de los que se estructura la materia y las diferentes interacciones entre éstos en el mundo subatómico.  En lo que sería el proyecto más completo de este reporte, se propone la construcción de un nuevo anillo de 100 km de longitud que albergaría un acelerador mucho más energético y que integraría diferentes capacidades experimentales: el FCC, Future Circular Collider.

El actual colisionador del CERN, el LHC (Large Hadron Collider), agregó una de las joyas de la corona del Modelo Estándar (ME) al anunciar en julio del 2012 la detección del último, y tal vez el más anhelado, de los ingredientes fundamentales de este modelo: la partícula Higgs, llamada así en reconocimiento del físico escocés Peter Higgs, quien postuló su existencia como un mecanismo para explicar el origen de las masas de las partículas mediadoras de la interacción débil en el ME, y quien compartió el Nobel de Física en el 2013. Siendo la partícula más pesada de las que conforman el grupo de las partículas elementales en el inventario del ME, su descubrimiento tuvo que esperar más tiempo que la detección del resto de las componentes de este modelo hasta alcanzar energías mayores de colisión que las del predecesor del LHC: el Large Electron Positron Collider (LEP), en el que se hacían chocar electrones contra positrones (la antipartícula del electrón), las partículas de materia más ligeras del modelo. Con este hallazgo, el LHC hizo una de sus contribuciones más importantes a la física de partículas y aunque está ahora iniciando una etapa de actualización que le permitiría alcanzar el doble de la energía de colisión con la que ahora funciona, parecería que la frontera de la nueva física, la física más allá del Modelo Estándar, estaría un orden de magnitud más alejada del portentoso y aún más energético nuevo LHC. Para alcanzar el plus ultra sería necesario construir un nuevo colisionador.

Los colisionadores son fundamentales en la tarea de búsqueda de nuevas partículas y en el proceso de consolidación de una teoría que describa la física de éstas, pues proveen un ambiente controlado y diseñado para detectar los productos de la interacción y colisión de partículas conocidas que revelarían la presencia de las nuevas. El refinamiento en la precisión de estas observaciones, a la par de la experiencia tecnológica requerida, ha ido en aumento cada vez que se construye un nuevo colisionador, lo mismo que la abundancia del número de productos de estas colisiones, la cual provee la estadística suficiente para consolidar un hallazgo.  A esto debe aunarse la necesidad de conseguir mayores energías de colisión, pues por un lado esto permite ir más al interior del mundo subatómico y por otro lado extiende la posibilidad de generar partículas más pesadas que no habrían sido producidas en colisionadores anteriores y las cuales constituyen siempre los objetos más importantes en las búsquedas de los colisionadores. Esta triada de precisión, estadística y mayor energía de colisión, constituyen objetivos primarios para fundamentar la necesidad de construir un nuevo acelerador y, por ende, parámetros indispensables en el diseño de los mismos.

A este triada habría que añadirle otro elemento fundamental que impulsa el avance de esta frontera del conocimiento: la imagen de un plus ultra, es decir, la sugerencia de que hay física fundamental más allá del Modelo Estándar, pues sin esta expectativa cualquier paso en la dirección de un nuevo experimento, en particular la construcción de un nuevo colisionador, sería imposible, pues carecería del interés y el apoyo necesarios para su realización. En términos estrictos, nada más puede exigirse al Modelo Estándar de la física de partículas pues las partículas que ha predicho han sido encontradas en los aceleradores, su estructura matemática ha sido probada al nivel de precisión de los actuales experimentos y nada ha sido observado, con la suficiente confianza, en los colisionadores que no haya podido explicar este modelo. ¿De dónde viene entonces la necesidad de construir un colisionador más energético y qué expectativas hay sobre lo que se espera encontrar allende la frontera actual de energía de un par de decenas de TeV (10^12 electronVolts) en la que estaría funcionando el HE-LHC (High Energy –LHC), la actualización en progreso del ahora LHC?

Las motivaciones más importantes para buscar más allá del Modelo Estándar provienen de las sugerencias que sobre ese territorio inexplorado se desprenden de diferentes fronteras de la física relacionadas con el mundo subatómico: por ejemplo, modelos de partículas construídos asumiendo simetrías aún no observadas en la naturaleza, observaciones cosmológicas en las que una partícula hipotética resulta fundamental, mecanismos al nivel de la física de partículas que podrían explicar procesos cosmológicos y preguntas de fondo sobre las características mismas del ME. Este encuentro entre lo pequeño y lo grande, entre lo micro y el cosmos, permite parafrasear estas búsquedas en aceleradores como la recreación de las condiciones del universo temprano en el colisionador, de manera que los hallazgos en esta arena permitirían entender también el universo y, a su vez, preguntas fundamentales sobre el universo tienen un traslape con las detecciones en los aceleradores.

Este nuevo proyecto del CERN escalaría las características del actual acelerador de forma importante, de manera que esté a su alcance la detección de fenómenos físicos no incluídos en el Modelo Estándar vigente. En el Future Circular Collider, la energía de colisión se movería de los 27 TeV que se espera consiga el  HE-LHC, a los 100 TeV que tendría el modo de colisión de partículas pesadas del FCC: el FCC-hh ( h de hadron=partículas del tipo protón y neutrón, constituídas por quarks). Para esto sería necesario construir un nuevo anillo con una longitud de 100 km (el del LHC mide 27 km). En ambos casos un orden de magnitud mayor, lo que representa un reto tecnológico significativo no sólo en términos de la obra civil, sino (y más importante aún) de la capacidad requerida de los dispositivos necesarios para acelerar los haces de partículas que colisionarán y de aquéllos que registrarán y almacenarán la información de los estados finales después de la colisión. En este sentido, también resulta importante considerar los subproductos de un proyecto con las características del FCC, que representan potenciales aplicaciones de enorme relevancia en otras áreas de la ciencia. Mención especial en este rubro merece el hecho de que el origen de la WEB se da precisamente en el CERN, así como las aplicaciones a la medicina que han surgido de este centro. Estas nuevas escalas parecieran más cercanas a la ficción que a la realidad. El túnel de 100 km que se construiría para el FCC, rebasaría casi al doble al más largo del mundo, el Gotthard Basistunnel de 57.5 km que pasa por debajo de los Alpes Suizos, y en el área encerrada por este anillo se podría acomodar 12,514 veces el Estadio Azteca. En cuanto a las energías de colisión en el FCC, éstas nos llevarían a escenarios físicos aún más adentro del primer segundo después del Big Bang.

En el proyecto integrado del CERN para un nuevo acelerador, el desarrollo del FCC pasaría por diferentes modos de operación iniciando en su primera etapa con un colisionador electrón-positrón, el FCC-ee, análogamente a como en el pasado se tuvo primero el LEP. La colisión de partículas ligeras fundamentales, proveé un medio menos poblado de estados finales después de la colisión y por tanto análisis más precisos. Esta etapa del FCC-ee tendría un tiempo de operación de alrededor de 15 años.

Usando el mismo túnel, en una segunda época se instalaría un colisionador de hadrones (protón-protón y ion_pesado-ion_pesado), el FCC-hh, con una energía de colisión de 100 TeV, lo cual extendería el alcance de búsqueda del FCC y, de acuerdo a cotas provenientes de algunos modelos, entraría en la región de detección de física más allá del Modelo Estándar. El FCC-hh estaría operando durante 25 años. A estos dos modos de operación se agregaría un híbrido, el FCC-he, un colisionador electrón-protón. En total, considerando también los tiempos de construcción e instalación, el programa integrado del FCC, abarcaría un período de 70 años, haciendo de este proyecto de física uno intergeneracional.

Aunque ubicado en el corazón de Europa, el CERN mantiene contactos con la comunidad científica internacional. Varios países son miembros oficiales de esta colaboración e investigadores de diferentes universidades, la mayoría europeas, algunas en el continente americano y otras en Asia y Australia, están también adscritos a los diversos grupos de trabajo en los distintos experimentos. Dada la escala de este nuevo proyecto del CERN, es muy difícil prescindir de la participación de otros países. En esta situación, el contexto de la Comunidad Europea resulta un ambiente propicio para desarrollar el FCC y costear este proyecto, cuyo monto total estimado en el caso del programa integrado, sería de 24,000 millones de euros, lo que representaría, por ejemplo, el 4% de los gastos militares de la OTAN en 2017. Sin embargo, esta iniciativa no es única. China ha presentado también un proyecto de un colisionador circular con las características del FCC, que tiene por nombre Circular Electron Positron Collider, el CEPC, que podría también ser escalado a un colisionador protón-protón, el Super Proton Proton Collider, SPPC, ambos en un anillo de 100 km. La aprobación de los fondos para estos proyectos determinará en buena medida si el nodo de desarrollo de la física experimental de partículas se mantiene donde está ahora ó si se desplaza a China, lo cual sería un escenario muy interesante.

Las búsquedas de nueva física en los colisionadores proyectados, incluyen un espectro diverso de intereses en los que el Higgs juega un papel fundamental. Aunque ya detectado en el LHC, sus propiedades e interacciones son un campo importante de estudio; en este sentido, estos aceleradores se constituirían en fábricas de Higgses, produciéndolos de manera abundante; el Higgs será tanto sujeto de estudio como un dispositivo de análisis para explorar la física más allá del Modelo Estándar. En estas búsquedas, es interesante notar que la cosmología establece un punto de contacto con los nuevos colisionadores en al menos tres observaciones fundamentales:

 

1. La asimetría materia-antimateria en el universo.

La antimateria fue predicha por el físico inglés Paul Dirac en las primeras décadas del siglo pasado y observada por el físico norteamericano Carl Anderson pocos años después. A partir de entonces se concluye que ésta es una componente que se produce de manera frecuente en algunos procesos entre partículas y decaimientos radioactivos y que para cada partícula de materia del Modelo Estándar existe una antipartícula. Por tro lado, a nivel cosmológico, las observaciones sugieren que la estructura que conforma el universo está formada de materia y que la presencia de la antimateria es prácticamente nula y está limitada a procesos muy particulares que la producen para desaparecer aniquilándose al contacto con la materia ordinaria, de manera que no se acumula. Este dominio de la abundancia de materia sobre la antimateria debe ser explicado a partir de un estado simétrico inicial materia-antimateria, que una época inflacionaria en el universo habría dejado. Para ello, debe encontrarse un mecanismo que genere un exceso de materia sobre la antimateria, que sería finalmente la que daría lugar a la estructura conocida. Cualquier mecanismo de este tipo (genéricamente llamado Bariogénesis=creación de bariones), debe satisfacer las condiciones establecidas por el físico ruso Andrei Sakharov en la década de 1960. Un escenario apropiado para bariogénesis puede producirse en una transición de fase que ocurriría cuando el universo se enfría durante su expansión y en la que el Higgs adquiere su masa, la transición de fase electrodébil (EWPT, por sus siglas en inglés). En este escenario hay 2 condiciones que deben satisfacerse para que este mecanismo sea efectivo y que están asociadas a las condicones de Sakharov: i) Deberán tenerse fuentes adicionales de violación de la simetría CP (C, conjugación de carga, y P, paridad), pues las del ME resultan insuficientes y , ii) La transición de fase debe ser intensa, una transición de primer orden, lo que tampoco se cumple en el ME y requería la presencia de partículas adicionales más allá del ME. Ambas condiciones son necesarias para producir bariogénesis y requieren de un acelerador como el FCC para tener posibilidades de ser detectadas.

 

2. El problema de la Materia Obscura.

La materia oridinaria que conocemos, la del ME, constituye menos del 5% del total de materia en el universo, el 95% restante corresponde en un 25% a la llamada materia obscura y en un 70% a la energía obscura, ligada a la actual expansión acelerada del universo. Existen evidencias que sugieren, en distintos escenarios, la presencia de la materia obscura en el universo. Entre ellas se encuentran el aplanamiento de las curvas de rotación en galaxias, que requiere materia adicional a la observada en éstas últimas. También el proceso de la formación de estructura en el universo se beneficiaría de incluir la contribución de la materia obscura. Esta materia, no emite radiación y sólo interactúa de manera muy débil, lo cual impide que sea fácil de detectar en los experimentos diseñados para ello. Por otro lado, su naturaleza se desconoce todavía aunque existen varios candidatos, algunos de los cuales corresponden a partículas que se encontrarían más allá del Modelo Estándar y podrían estar al alcance del FCC; entre éstas se encuentran los modelos de partículas masivas débilmente interactuantes (WIMPs) que incluyen a partículas supersimétricas como el Wino, la pareja supersimétrica del bosón W (mediador de la interacción débil) del ME.

 

3. Neutrinos masivos.

Los neutrinos constituyen uno de los sectores de partículas que conforman el Modelo Estándar, y están presentes en tres especies (ó sabores), asociadas a cada una de las partículas ligeras del ME: el electrón, el muón, y el tau. El neutrino fue propuesto en 1930 por el físico austríaco Wolfgang Pauli y su nombre se debe a Enrico Fermi, quien lo llamó así para distinguirlo del neutrón (neutrino quiere decir pequeño neutrón). Dentro del ME, los neutrinos no tienen masa, pues el mecanismo que se emplea para generar las masas de las partículas del ME a través de la interacción con el Higgs, requiere asumir nuevas partículas en el caso de los neutrinos.  Sin embargo, observaciones realizadas en diferentes contextos (neutrinos solares, neutrinos atmosféricos, neutrinos en aceleradores y neutrinos en reactores) muestran que estas partículas pueden cambiarse  de una especie a otra en lo que se ha denominado oscilaciones de neutrinos. La explicación de este efecto implicaría que los neutrinos deben tener masa y que nuevos neutrinos deben estar presentes, éstos serían diferentes a los del ME y mucho más masivos. Para algunos modelos, estos nuevos neutrinos estarían en el rango de energías del FCC.

Estos tres casos que hemos mencionado no son los únicos escenarios en los que el FCC podría contribuir a detectar nueva física que permitiría responder algunas de las interrogantes fundamentales de la estructura de la materia y de la cosmología. El espectro completo de posibilidades del FCC se encuentra discutido en el reporte que presenta el CERN.

Con un proyecto de un nuevo colisionador de partículas a escalas que representan un reto y una promesa de encuentro con física nueva y fundamental, el FCC está a la espera de los 100 km y los 100 TeV que le separan de cumplir su papel en la historia de la ciencia.

 

*Instituto de Física y Matemáticas, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo

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Notas.

1. La información utilizada en este artículo fue obtenida del portal electrónico del CERN y del proyecto del FCC que allí se presenta: https://cds.cern.ch/record/2651294/files/CERN-ACC-2018-0056.pdf
2. Una vehemente argumentación a favor del proyecto de China para el nuevo acelerador CEPC y el SPPC, puede encontrarse en Should China build the Great Collider?, Stephen Hawking and Gordon Kane, arXiv:1804.00682v1 [physics.soc-ph].
3. El Modelo Estándar se discute en muchos textos de física de partículas y en formatos más simples como http://theconversation.com/the-standard-model-of-particle-physics-the-absolutely-amazing-theory-of-almost-everything-94700
4. El electronVolt (eV) es una unidad de energía equivalente a 1.6x10^-19 joules y proviene de la energía que adquiere un electrón al ser acelerado en una diferencia de potencial de un volt. Su uso se ha extendido en diferentes campos de la física y puede utilizarse también como unidad de referencia para otros parámetros físicos como la masa y la temperatura mediante el empleo de las constantes físicas apropiadas. Por ejemplo, la masa del protón en estas unidades es de 0.938GeV/c^2  (GeV=10^9 eV), que surge de la relación de Einstein E=mc^2.