Europa apunta oficialmente a un sucesor gigante del LHC

Agrandar / / CERN hace su propio cableado superconductor para el sucesor del LHC.

El Gran Colisionador de Hadrones, el colisionador de partículas más poderoso jamás construido por la humanidad, reside en un enorme túnel de 27 kilómetros de largo que se extiende debajo de los campos suizo y francés. Lo que a menudo se pasa por alto es que el túnel fue construido para una pieza de hardware anterior, el Gran colisionador de electrones-positroneso LEP. LEP se había construido específicamente para proporcionar una forma limpia de estudiar el bosón Z; solo más tarde se convirtió en un colisionador de protones de mayor energía que permitió el descubrimiento del bosón de Higgs.

Ahora, Europa es comprometiéndose oficialmente para adoptar un enfoque similar: construir un túnel enorme en las instalaciones del CERN que colisionará partículas para permitir un estudio limpio del bosón de Higgs. Pero Europa está dejando la opción de usar el túnel para un futuro colisionador que podría alcanzar energías casi 10 veces más altas que el LHC.

Electrones contra hadrones

Los electrones y los positrones son partículas fundamentales; Hasta donde sabemos, no tienen partículas más pequeñas que los componen. Eso hace que sus colisiones sean extremadamente limpias. Los protones colisionados por el LHC, en cambio, están compuestos por una colección de quarks y gluones, lo que hace que sus colisiones sean una colección complicada de subcolisiones que puede ser difícil de interpretar.

Eso hace que los electrones y los positrones sean mejores candidatos para la caracterización detallada de las partículas. Pero son menos buenos para el descubrimiento. A medida que las partículas se ven obligadas a viajar por los caminos curvos de los colisionadores circulares, irradian algo de energía, lo que hace que disminuyan su velocidad. Esto limita la energía que pueden alcanzar las colisiones. Y es por eso que CERN reemplazó a LEP con el Gran Colisionador de Hadrones; Los protones, gracias a su mayor masa, pierden menos energía en las curvas de un colisionador circular. Como tal, se pueden aumentar a mucha más energía.

Por lo tanto, mientras que el túnel de 27 km que alberga el LHC se construyó originalmente para estudiar el bosón Z utilizando electrones y positrones, el CERN reemplazó el hardware con un colisionador de protones para descubrir el Higgs: el Gran Colisionador de Hadrones.

Pero incluso un túnel como el de 27 km ahora ocupado por el LHC establece límites sobre lo que podemos hacer. Para atraer partículas a lo largo de un camino curvo, necesitamos imanes que aumenten su fuerza a medida que la energía de las partículas aumenta. Dado que estamos cerca de los límites de la tecnología de imán actual, eso significa que necesitamos un túnel más grande, es decir, curvas más graduales, para alcanzar energías más altas. Y la comunidad de física de Europa ahora ha decidido que quiere construir un mucho Túnel más grande.

Más grande es ¿quizás mejor?

El túnel sería realmente enorme, con una circunferencia de aproximadamente 100 km, lo que significa un diámetro de aproximadamente 30 km. Eso significaría que pasaría bajo el cercano lago de Ginebra, lo que requeriría túneles mucho más profundos que los utilizados para el LHC. Sería un proyecto de construcción importante y costoso. Pero potencialmente nos daría un dos por uno, tal como lo hicieron los túneles ocupados por el LHC. Inicialmente, se construiría un colisionador electrón-positrón para una caracterización detallada del bosón de Higgs.

Luego, una vez que esto se haga a satisfacción de la comunidad física, sería reemplazado por un colisionador de protones que permitiría que las colisiones alcancen energías más de siete veces las alcanzadas por el LHC. Esto podría permitir la detección de partículas mucho más pesadas que las estudiadas por el LHC, suponiendo que existan partículas más pesadas (más sobre eso en un momento).

El costo total de algunas de estas ideas asciende a decenas de miles de millones de dólares, y el documento es claro en que Europa no lo hará por sí sola, los socios internacionales serán críticos. Y ahí es donde las cosas se ponen un poco extrañas, porque los socios potenciales están en el proceso de considerar otros proyectos.

Japón y china

Por ejemplo, Japón ha sugerido que podría estar dispuesto a albergar una alternativa propuesta a un colisionador circular, el Colisionador lineal internacional, que también colisionarían electrones y positrones para estudiar el Higgs. Un colisionador lineal evita la pérdida de energía asociada con forzar partículas alrededor de una trayectoria curva. Pero los colisionadores circulares tienen la ventaja de poder acelerar lentamente las partículas cada vez que dan una vuelta alrededor del bucle, lo que significa que la aceleración podría ser mucho más gradual. Los colisionadores lineales solo tienen una oportunidad de acelerar las partículas a medida que corren por la pista hacia una colisión, por lo que la pista debe ser mucho más larga para alcanzar las energías equivalentes, unos 30 km para el Colisionador lineal internacional.

Por lo tanto, los costos son algo más bajos que un colisionador circular, pero no mucho más bajos. Y un colisionador lineal no se puede reutilizar en un colisionador de hadrones de alta energía después.

Si bien Japón está muy interesado en albergar este colisionador, no se ha comprometido a financiarlo por completo y está tratando de organizar compromisos de otros países para agregar el resto de la financiación. Pero si ese colisionador avanza, obviará al menos la mitad de la justificación para construir un túnel gigante en el CERN. Sin embargo, el informe afirma que “La realización oportuna del colisionador lineal internacional positrón de electrones en Japón sería compatible con esta estrategia”.

En otra parte, los chinos están considerando un plan que imita en gran medida el del CERN: un túnel circular gigante que albergará primero un colisionador de electrones-positrones y, más tarde, un colisionador de protones. El argumento de China es que no está limitado a construir en la compleja geografía de la frontera franco-suiza, con sus lagos y cadenas montañosas. Y para empezar, los costos de construcción son más bajos, lo que significa que todo el proyecto podría realizarse de manera sustancialmente más económica en China. Nuevamente, aún no se ha hecho ningún compromiso para construir el hardware, pero podría hacer que los argumentos para el proyecto del CERN sean mucho más complicados si continúa avanzando.

También hay muchas áreas activas de estudio que nos permitirían construir hardware que proporcione mayores aceleraciones en distancias más cortas. El informe también aboga por el apoyo continuo de aquellos, a pesar de que inclinarían la balanza fuertemente a favor del uso de un colisionador lineal, ya que podría hacerse mucho más compacto. Hay una mención adicional del uso de muones, parientes más pesados ​​(aunque inestables) del electrón y el positrón, para las colisiones, algo que se está buscando activamente en el Fermilab de los EE. UU.

“La comunidad europea de física de partículas debe intensificar la I + D del acelerador y mantenerlo con los recursos adecuados”, dice el informe, a pesar de que el progreso en cualquiera de ellos haría que el gran colisionador sea un enfoque menos atractivo.

Un vacío en la teoría.

Pero tal vez la mayor pregunta que enfrenta el colisionador es si le queda algo por encontrar. Además del Higgs, había fuertes candidatos teóricos, incluidas las posibles partículas de materia oscura, que estaban dentro del rango de energía alcanzado por el LHC. Aunque ninguno de ellos apareció, eso terminó siendo informativo, eliminando una gran variedad de modelos potenciales para otras partículas y causando que muchas personas reconsideren los modelos basados ​​en la idea de la supersimetría.

Por el momento, en las energías que alcanzará este sucesor propuesto, tenemos … no mucho. Siempre hay ideas flotando que involucrarían partículas extremadamente pesadas, y siempre es posible que las partículas potenciales que se predijeron que fueran más ligeras no lo fueran. Pero no hay candidatos obvios en estas energías que tengan una teoría bien desarrollada detrás de ellos. Como resultado, no tenemos una razón sólida para pensar que habría algo que descubrir si construimos esta máquina.

Por supuesto, tendríamos décadas de desarrollo en teoría que podrían colocar algo allí antes de que esto realmente se vuelva operativo. Y siempre existe la posibilidad de que encontremos algo inesperado si fuera construido. Pero esas posibilidades no suelen ser el tipo de cosas que pueden dominar el panorama de financiación para todo un campo. Afortunadamente, la comunidad de la física se ha acostumbrado a cambiar las prioridades de financiación a lo largo de los años, y la construcción del nuevo colisionador está lo suficientemente lejos como para que haya tiempo para determinar si y cómo integrar este trabajo con los proyectos propuestos en Japón y China.