El mayor acelerador de partículas se actualiza para quintuplicar las colisiones

El acelerador de partículas que permitió descubrir el bosón de Higgs atraviesa la mayor renovación de sus 10 años de historia. En junio comenzaron las obras en Suiza para actualizar el Gran Colisionador de Hadrones, o LHC, a su futura versión, llamada LHC de Alta Luminosidad, o HiLumi LHC. El objetivo es prolongar la vida útil del acelerador y aumentar entre cinco y siete veces su luminosidad, es decir, la frecuencia de las colisiones entre protones, que hasta ahora era de unas 1.000 millones cada segundo. Con la mejora, los investigadores del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) podrán observar fenómenos físicos muy infrecuentes y afinar la precisión de los resultados conocidos.

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El LHC produce, de media, un bosón de Higgs por cada diez mil millones de colisiones protón-protón. Esto se traduce en un bosón de Higgs cada diez segundos, más o menos. Aunque pueda parecer rápido, hizo falta recoger datos durante más de un año para confirmar el descubrimiento de esa partícula. El HiLumi LHC, que se prevé estará listo desde 2026, generará datos a una velocidad sin precedentes, lo cual permitirá investigar las propiedades del bosón de Higgs y acelerar los descubrimientos en las próximas décadas.

En los 12 años posteriores a la renovación, se espera que el acelerador acumule unas 10 veces más datos que en sus primeros 12 años de funcionamiento. “Es como estar en una habitación, y en vez de recibir la luz de una bombilla de 100 vatios, de repente se enciende una bombilla de 1.000 vatios; se ve todo mucho mejor”, dice Lucio Rossi, el director del proyecto HiLumi LHC.

Con la actualización, se verán beneficiados los experimentos que lleva a cabo el laboratorio para investigar física más allá del modelo estándar (la teoría que describe las partículas elementales conocidas y sus interacciones). Un área de especial interés en CERN es el estudio de la supersimetría, un principio no demostrado que sugiere la existencia de nuevas partículas pesadas por cada una de las partículas elementales conocidas. Si los científicos demuestran su validez, esta teoría justificaría la ligereza de la masa del bosón de Higgs, permitiría la unificación de las fuerzas físicas e incluso podría explicar la naturaleza de las partículas que forman la misteriosa materia oscura. El colisionador de partículas también se emplea para comprobar si los quarks —que componen la materia visible— pueden estar hechos de algo más elemental aún, y hay planes para probar teorías sobre la existencia de otras dimensiones.

Para aumentar la luminosidad del acelerador circular, los ingenieros de CERN van a sustituir componentes en un tramo de 1.200 metros del aparato, que tiene una circunferencia total de 27 kilómetros. En el LHC, dos haces de protones circulan casi a la velocidad de la luz en sentidos opuestos para encontrarse en uno de los cuatro puntos de colisión, donde están instalados los detectores de partículas (CMS, Alice, Atlas y LHCb). Entre los nuevos componentes, se estrenan 24 imanes superconductores cuadrupolo que concentran los haces de protones en los lugares de interacción para incrementar las colisiones. Además, por primera vez el acelerador incluirá 16 cavidades de radiofrecuencia, cuyo propósito es inclinar los haces justo antes de la colisión para que choquen de frente y no de forma oblicua como lo hacían hasta ahora.

Además de los imanes cuadrupolo y de las cavidades de radiofrecuencia, los técnicos también instalarán cuatro imanes superconductores dipolo, que se encargan de curvar la trayectoria de los haces. Estos aparatos se fabrican en CERN con la misma tecnología que los nuevos imanes cuadrupolo: una innovadora aleación de niobio y estaño que es bastante frágil pero alcanza un campo magnético uniforme elevado, necesario para dirigir los haces enriquecidos de protones.

Las obras de ingeniería han comenzado por la parte suiza del complejo, cerca de la localidad de Meyrin, pero el trabajo continuará también por un punto en el lado francés del laboratorio. En la primera fase se construirán edificios de ventilación y de equipamiento eléctrico, además de nuevas galerías subterráneas para albergar instrumentos lejos de la radiación que emite el anillo principal. El acelerador de partículas continuará funcionando durante las obras excepto en dos paradas técnicas largas programadas, durante las cuales se llevarán a cabo las tareas de mantenimiento habituales y se instalarán los nuevos componentes para la actualización a alta luminosidad.

Bruno Martín forma parte del proyecto europeo Elusives, que aborda el estudio de neutrinos, materia oscura y física más allá del modelo estándar (H2020-MSCA-ITN-2015//674896-Elusives).