El Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider, LHC) no es solo uno de los artilugios científicos más importantes de la historia, es también la máquina más grande construida por el ser humano. Quizá por ese motivo, los parones por trabajos de mejora y mantenimiento se alargan tanto; requiere algo más que desenchufar y volver a enchufar. Han sido tres años de trabajos hasta que el pasado 22 de abril, poco después del mediodía, el más potente acelerador de partículas volvió a entrar en acción.

En esa primera toma de contacto, dos haces de protones circularon en direcciones opuestas por el anillo de 27 kilómetros del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN, en la frontera franco-suiza) con una energía de inyección de 450 mil millones de electronvoltios (450 GeV). Son cifras y letras que se hacen extrañas a los profanos, pero que representan un reinicio exitoso.

«Estos haces han circulado a la energía de inyección, y contenían un número relativamente pequeño de protones. Todavía faltan un par de meses para que se produzcan colisiones de alta intensidad y alta energía», explicó Rhodri Jones, jefe del Departamento de Haces del CERN, quien se felicitó por el satisfactorio regreso «tras el duro trabajo realizado durante esta segunda gran parada».

El jefe del Departamento de Tecnologías del CERN, José Miguel Jiménez, explicó ese mismo día a la agencia Efe que la parada del acelerador tenía dos objetivos. El primero era cambiar y mejorar toda la cadena de inyectores, incrementando la energía y el brillo de los haces dentro de la cadena de inyección, para que los haces que lleguen al acelerador tengan más luminosidad, más intensidad. La segunda etapa ha sido la mejora de los circuitos de los imanes y la calidad de todos los sistemas de protección para poder incrementar la energía en las colisiones.

Preguntado por cuándo se alcanzará el máximo de energía prevista, Jiménez señalaba que en el CERN esperan que a principios de julio el sistema esté en una configuración de adquisición de datos, iniciando un proceso que se prolongará cuatro años.

El bosón de Higgs

Y es que no hay que olvidar que el objetivo del Gran Colisionador de Hadrones –el término “hadrón” hace referencia a partículas subatómicas compuestas de quarks unidos por fuerza nuclear fuerte (protones, neutrones...)–, que entró en funcionamiento hace catorce años, es ayudar a responder a algunas preguntas básicas de la física. Con ese objetivo, los colisionadores, y este en particular, aceleran las partículas a energías cinéticas muy altas, que les permiten impactar con otras partículas, y​ el análisis de los subproductos de estas colisiones brinda información sobre la estructura del mundo subatómico y las leyes de la naturaleza que lo gobiernan. Se trata, en resumen, de la búsqueda de los componentes básicos de los átomos, las llamadas partículas elementales.

En este tercer ciclo, se espera por ejemplo que se vaya ampliando el conocimiento en torno al bosón de Higgs, una parte clave del Modelo Estándar de la física de partículas, que no se había observado hasta la llegada del Gran Colisionador de Hadrones del CERN. En concreto, el 4 de julio de 2012 los experimentos de ATLAS y CMS del LHC anunciaron que cada uno había observado de manera independiente una nueva partícula con una masa de alrededor de 126 GeV, que era susceptible de ser el bosón de Higgs.

Para entender qué significa esto exactamente hay que recordar que, ante la pregunta de cómo obtienen masa las partículas elementales, en 1964 Peter Higgs y otros físicos describieron una partícula que, junto con su campo cuántico, podía cumplir esa función: permear el universo otorgando masa a las partículas. Es el hoy llamado mecanismo de Higgs para explicar el origen de la masa de las partículas elementales. Pero la propuesta del británico fue durante más de medio siglo una teoría, pues la partícula no se dejaba ver. Hasta que todo cambio hace diez años.

Desde un principio las propiedades observadas en los citados experimentos fueron consistentes con el bosón de Higgs, aunque los científicos actuaron con cautela a la hora de identificarla formalmente como tal, hasta que el 14 de marzo de 2013 el CERN confirmó de que la partícula era el bosón de Higgs.

La partícula en cuestión es «el bosón más pesado jamás hallado», explicaron entonces desde el Laboratorio Europeo de Física de Partículas, y su hallazgo es sin duda el mayor éxito del LHC hasta el momento. También el de Peter Higgs, quien ganó el Premio Nobel de Física en 2013 gracias a su teoría.

Experimentos y detectores del LHC

Más allá de lo que se siga averiguando sobre el bosón de Higgs, el tercer ciclo del LHC permitirá recoger datos de las colisiones no sólo a una energía récord, sino también en un número sin precedentes. De este modo, experimentos como los citados ATLAS y CMS esperan recibir cada uno más colisiones que en las dos anteriores campañas juntas.

El ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) es uno de los dos detectores de uso general. estudia el bosón de Higgs y busca signos de nueva física de partículas, incluidos los orígenes de la masa y las posibles dimensiones adicionales. Cuando los haces de protones producidos por el acelerador interactúan en el centro del detector, se producen una serie de partículas con un amplio rango de energías, y el ATLAS se ha diseñado para que mida el mayor intervalo posible de energías.

El Proyecto CMS –Compact Muon Solenoid– tiene asociado un amplio programa que abarca desde el estudio del Modelo Estándar hasta la búsqueda de materia oscura. Usa soluciones técnicas y un diseño de sistema de imanes diferentes que el ATLAS. En concreto, el detector CMS está construido en torno a un gran imán de solenoide, que genera un campo de cuatro teslas; unas cien mil veces el campo magnético de la Tierra.

Por su parte, ALICE, un detector especializado en el estudio de las colisiones de iones pesados, puede esperar un aumento de cincuenta veces en el número total de colisiones de iones registradas, gracias a la finalización de una importante actualización.

Toda la materia ordinaria en el universo está compuesta de átomos, y cada átomo contiene un núcleo compuesto por protones y neutrones –excepto el hidrógeno, que no tiene neutrones–, rodeado por una nube de electrones. Los protones y neutrones a su vez están hechos de quarks unidos por otras partículas llamadas gluones. ALICE está diseñado para estudiar la física de la materia que interactúa fuertemente en densidades de energía extremas, donde se forma una fase de materia llamada plasma de quark-gluón, un estado de la materia que se cree que se formó justo después del Big Bang

Precisamente, durante el breve instante del Big Bang se crearon cantidades iguales de materia y antimateria y el LHCb o Large Hadron Collider beauty –«Beauty» se refiere a un tipo específico de quark en el que está especializado este detector– investiga lo que le sucedió a la antimateria “desaparecida”. El LHCb se renovó completa durante la parada y puede esperar que su recuento de colisiones se multiplique por tres.

Estos cuatro centros de experimentación se hallan situados en otros tantos emplazamientos diferentes del túnel del LHC, y en esta fase se añadirán dos más: FASER y SND@LHC, que han sido diseñados para buscar física más allá del Modelo Estándar.

Solo conocemos el 5% del Universo

Y es que los secretos que quedan por desentrañar son casi extensos como el propio cosmos. José Miguel Jimenez explicaba a Efe que el Módelo Estándar de la física de partículas, que ha quedado demostrado con el descubrimiento del boson de Higgs, apenas explica el 4,5 a 5% de la masa del Universo, de modo que aún no sabemos de qué está compuesto el 95% restante. La materia oscura, representaría el 20 o 25%, y los dos detectores que se han instalado en esta parada permitirán estudiarla de forma indirecta.

En principio, se estima que el Gran Colisionador de Hadrones funcionará en este nuevo ciclo hasta 2025, y a partir de ahí, la idea es seguir optimizando los costes operacionales de la gigantesca maquinaria, que debe funcionar hasta el año 2040 para agotar todas sus capacidades de descubrimiento e incrementar las colisiones para amortizar la inversión. El LHC, señalaba el jefe del Departamento de Tecnologías del CERN, tiene sus límites y por eso están trabajando en una nueva mejora que se llama “Alta luminosidad en el LHC” que permitirá tener cien veces más colisiones que las de hoy en día.

Eso ocurrirá en un futuro más o menos cercano, pero aun hoy, todos los parámetros que se manejan en la joya de la corona de la ciencia europea son prácticamente únicos en el mundo. La energía de los protones es la más elevada que nunca se ha conseguido en un acelerador; la temperatura en los sistema de imanes es de -269 grados Celsius en casi 24 kilómetros; en su seno se aglutinan ciento cincuenta toneladas de helio líquido; y la energía acumulada por el haz permitiría derretir instantáneamente 700 kilos de cobre. Estos valores están al límite de lo que hoy por hoy permite cada tecnología; los imanes, la superconductividad y la criogenia.

Aunque no tardarán en quedar relegados gracias al intelecto del ser humano, tan insondable y contradictorio que es capaz de crear máquinas kilométricas en el subsuelo de una ciudad y estar al mismo tiempo destrozando ciudades enteras en la superficie.