Para qué queremos un colisionador de partículas de 100 TeV

Por Francisco R. Villatoro, el 10 marzo, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Historia • LHC - CERN • Noticia CPAN • Physics • Science ✎ 4

Dibujo20140301 future V-LHC at CERN

En el verano de 1974, el recién nacido modelo estándar de la física de las partículas predecía muchas partículas a baja energía que han sido encontradas. Se conocía un bosón (el fotón), tres quarks (arriba, abajo y extraño) y cuatro leptones (electrón, muón y dos neutrinos). El modelo estándar predecía la existencia de muchas nuevas partículas: tres bosones débiles (Z y dos W), ocho bosones con carga de color (gluones), un bosón escalar (Higgs), un cuarto quark y toda una nueva generación con otros dos quarks y dos leptones. En el verano de 1974 había indicios indirectos de algunas de estas partículas, pero parecía imposible que en 40 años fueran confirmadas todas estas predicciones. Y más aún, que no se descubriera nada más.

En noviembre de 1974 se descubrió el quark encanto, completando la segunda generación. En 1977 se descubrieron dos partículas de la tercera generación, el quark fondo (bottom) y el leptón tau. En 1979 se descubrieron los gluones. En 1983 se descubrieron los bosones W y Z. En 1995 se descubrió el quark cima (top). En 2000 se descubrió el neutrino tau. Finalmente, en 2012 se anunció el bosón de Higgs. Todas las partículas predichas por el modelo estándar han sido encontradas.

Mucha gente cree que ya hemos culminado todas las predicciones del modelo estándar. No es cierto. Hay muchas predicciones del modelo estándar que no son partículas fundamentales a baja energía. Aunque algunos de estos efectos han sido verificados, muchos otros requieren que se siga investigando. Algunos podrán ser confirmados usando el LHC en el CERN y su futura versión de alta luminosidad HL-LHC. Sin embargo, otros efectos requieren el desarrollo de nuevos colisionadores de partículas a mayor energía, como el futuro VLHC (Very Large Hadron Collider que se espera que alcance 100 TeV c.m. en lugar de los 14 TeV c.m. del LHC).

Dibujo20140302 sphaleron - instanton-antiinstanton in proton-proton collision

Las predicciones más interesantes del modelo estándar aún no verificadas son los efectos no perturbativos (como los instantones). Por ejemplo, el “esfalerón” (sphaleron) predicho en 1984 como consecuencia de la teoría electrodébil (EW). Este fenómeno predice violaciones del número bariónico y del número leptónico en las colisiones a alta energía (por encima de 30 TeV). El LHC con colisiones a 14 TeV es incapaz de observar este fenómeno predicho por el modelo estándar. De hecho, como este fenómeno está más allá de lo observable, se han realizado pocos cálculos teóricos detallados de las señales que se pueden observar en un colisionador protón-protón con una energía en el centro de masas superior a 30 TeV. Más información en Valya Khoze, “B+L violation & (non)perturbative ElectroWeak dynamics at very high energy colliders,” 1st CFHEP Symposium on Circular Collider Physics, 23-25 Feb [PDF slides].

Necesitamos nuevos colisionadores de partículas en dos líneas diferentes. Por un lado, colisionadores de baja energía (menor que la del LHC) pero de alta luminosidad, con preferencia de leptones (colisiones electrón contra positrón, o muón contra muón); la gran promesa son los colisionadores lineales, como el que se construirá en Japón con una energía inicial de 250 GeV (el doble de la masa del Higgs) y una energía máxima de 1 TeV. Y por otro lado, colisionadores de alta energía (mayor que la del LHC), con preferencia de hadrones (colisiones protón contra protón, o protón contra antiprotón); lo más adecuado son los colisionadores circulares con una circuferencia cuya longitud se encuentre entre 80 y 100 km (el LHC tiene 27 km).

¿Deben construirse nuevos colisionadores incluso si el LHC no encuentra nueva física? Por supuesto, incluso si su coste supera los veinte mil millones de euros. No es una cuestión relativa a explorar un nuevo territorio desconocido, como algunos afirman con la boca llena. La construcción de un colisionador a gran escala produce un impulso enorme en la industria. Todas las tecnologías utilizadas han de ser llevadas al extremo. Se tienen que lograr cosas que a día de hoy son imposibles. Cosas que dentro de veinte años serán una realidad gracias al impulso de un coisionador como el futuro VLHC.

Selecciona a las mentes más brillantes del planeta. ¿Crees que querrán trabajar en la industria? Sin embargo, todos desearán descubrir los secretos del universo. Y si para descubrirlos tienen que desarrollar la industria hasta lograr lo imposible, lo harán. El motor de la frontera de la industria son los grandes proyectos científicos. Construir un colisionador de hadrones que alcance los 100 TeV c.m. es imposible a día de hoy. Pero con el esfuerzo colectivo de todos podemos hacer posible lo imposible. La tecnología necesaria no existe, pero existirá. Cada euro invertido tendrá muchos euros de retorno.

¿Para qué queremos un colisionador de partículas de 100 TeV? Porque somos humanos. Porque podemos hacer posible lo imposible. Porque queremos explorar la frontera de lo desconocido.



4 Comentarios

  1. No suelo escribir comentarios -soy de esos lectores que se limita a leer cada entrada-, pero el post de hoy, aunque fuera algo que ya sabía (¿Cuántas veces se ha tratado el tema de por qué es necesaria la exploración espacial, los grandes colisionadores, etc.?), me ha parecido sencillamente sublime.

    De esos posts que al terminar de leerlos, te dejan una sensación rara en el cuerpo, como de querer más. Pero sobre todo, de olvidar por un momento las limitaciones actuales, la difícil coyuntura científica y otros problemas… y de recuperar la ilusión en el progreso de la humanidad a través de la ciencia.

    Para mí, probablemente el mejor ejemplo de la frase de Pasteur: “No existe la ciencia básica y la ciencia aplicada. Existen la ciencia y las aplicaciones de la ciencia.” Afortunadamente, las segundas siempre dan argumentos suficientes para convencer al escéptico del valor de la primera.

    Me ha alegrado la mañana leer esto, gracias!

  2. Leerte es siempre un placer, Francis. Pero cabe destacar la perla que has sintetizado aquí. Clara, precisa, amena, brillante en su engañosa simplicidad. Un breve pero lúcido análisis que conecta el pasado con el futuro. Y el párrafo final, una joyita. Saludos.

  3. Es una posición perfectamente legítima y con fundadas razones, pero también otros campos de la ciencia tienen razones al menos tan fundadas y a la vez están tan necesitados o más de financiación.

    No debemos confundir nuestros campos de preferencia con la perentoria necesidad de financiarlos, que siempre va a costa del contribuyente, y que este en muchos casos preferiría que su dinero fuese a otros campos de investigación tan apasionantes como el referido y en el momento actual incluso más productivos cientificamente y con más posibles mejoras sociales que el nuevo colisionador.

    Las posibilidades no son infinitas y hay que poner los pies en el suelo.

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