Los colisionadores que vienen

Es imposible no exaltarse ante el inicio del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Es el experimento científico más grande y ambicioso que hayan intentado los seres humanos.

Pero no es el primero ni será el único. Ya hay proyectos para construir otros aceleradores de partículas que complementen al LHC.

El esfuerzo por entender, curar y evitar enfermedades mortales, la desproporcional distribución de la riqueza, que genera tanto hambre en el mundo, los problemas, ya palpables, de la contaminación ambiental, son, entre otros, temas seguramente prioritarios. Pero ¿cómo dejar de preguntarse de qué está hecho el universo? En definitiva, la curiosidad por entender el Cosmos es una forma de indagar sobre nuestro propio origen y destino.

Pero si el LHC es estimulante por las respuestas (y preguntas, sobre todo) que puede generar, no está solo. Por cierto, existen otros aceleradores de partículas en el mundo, como el Fermilab. Y habrá otros. Ya existen planes para al menos dos nuevos aceleradores de partículas: el ILC o Colisionador Lineal Internacional y el CLIC o Colisionador Lineal Compacto.

El Colisionador Lineal Internacional

El ILC es un acelerador electrón-positrón propuesto para complementar al LHC. Consistiría en dos aceleradores lineales enfrentados que lanzarán 10 mil millones de electrones y sus contrapartes, los positrones, unos hacia otros a una velocidad cercana a la de la luz.

Con una extensión aproximada de 31 kilómetros de longitud, los haces de electrones colisionarán 14.000 veces cada segundo a energías extremadamente altas: 500 GeV. Cada colisión creará un conjunto de nuevas partículas que podrían responder algunas de las preguntas fundamentales de todos los tiempos. El diseño de base permite una actualización de 50 kilómetros, 1 TeV, durante la segunda fase del proyecto. (El LHC alcanzará, en su última fase, los 14 TeV!).

El planeamiento, diseño y financiación serán guiadas por el GDE, Global Design Effort liderado por Barry Barish. El equipo establece la estrategia y prioridades del trabajo de cientos de científicos e ingenieros en universidades y laboratorios alrededor del mundo. Su objetivo: producir el Reporte de Diseño Técnico del ILC para fines de 2012 que será usado para decidir el futuro del proyecto.

Cómo funcionará

Los científicos usarán dos aceleradores lineales principales ("linacs"), uno para electrones y otro para positrones, de 12 kilómetros cada uno, para acelerar paquetes de partículas hacia el punto de colisión.

Cada linac consiste en 8.000 cavidades superconductoras anidadas en una serie de naves enfriadas para formar criomódulos.

Los módulos usan helio líquido para enfriar las cavidades a -271ºC, sólo un poco por sobre el cero absoluto.

Los científicos lanzarán ondas electromagnéticas en las cavidades para "empujar" las partículas y acelerarlas a energías de 500 GeV.

Positrones

Los positrones, las partículas de antimateria similares a los electrones pero con carga positiva, no existen naturalmente en la Tierra. Para producirlas, los científicos enviarán un haz de electrones de alta energía a través de un ondulador, un conjuto de imanes que crean un movimiento turbulento que causa que los electrones emitan una corriente de fotones. Luego los electrones retornan al acelerador principal, mientras los fotones chocarán con un objetivo de titanio y producirán pares de electrones y positrones. Los positrones serán recolectados y lanzados a su propio acelerador de 250 metros y 5 GeV.

Los anillos

Al crearse, ni los paquetes de electrones ni los de positrones están suficientemente compactados para alcanzar la alta densidad necesaria para producir colisiones dentro de los detectores. Los científicos resolverán este problema al usar anillos de siete kilómetros de circunferencia, uno para los electrones y otro para los positrones. En cada anillo, los paquetes viajarán a través de una serie de dispositivos (wigglers) consistentes en dipolos magnéticos para alternar la polaridad.

Los electrones

Para producir los electrones se dispararán pulsos de luz de alta intensidad de un láser a un objetivo y así se colectarán miles de millones de electrones por pulso, usando campos magnéticos para crear paquetes de partículas y lanzarlas al acelerador lineal.

El Colisionador Lineal Compacto

Para 2010, los miembros del GDE producirán un detallado diseño para el ILC. Para el mismo año, un pequeño grupo internacional intenta probar que el Compact Linear Collider (CLIC), una máquina que podría, potencialmente, alcanzar cinco veces la energía del ILC, es un proyecto viable.

Con sus bases en el CERN, Suiza, CLIC es un ambicioso proyecto que propone colisionar haces de electrones y positrones a una energía de 3 TeV en una distancia aproximadamente similar a la del ILC.

"CLIC puede hacer lo que un colisionadro de TeV puede hacer con precisión, pero puede hacer más", dice Albert de Roeck, un físico de CERN, miembro del experimento CMS en el LHC.

El LHC dará a los físicos un primer vistazo en un nuevo reino de descubrimientos de partículas. Los físicos anticipan que el bosón Higgs, la partícula que se piensa da a las demás su masa, será uno de los descubrimientos. Pero la gran pregunta es, ¿Será el Higgs una partícula liviana o pesada?

Si el Higgs existe a una energía inferior a los 300 GeV, como sugieren los experimentos en Fermilab, SLAC y CERN, el ILC será suficiente. Pero si Higgs o partículas similares son más pesadas y sólo pueden ser producidas con una máquina de varios TeV, entonces CLIC será necesario.

"Una máquina de múltiples TeV verificará el descubrimiento", añade De Roeck. "Debido a la mayor energía, CLIC puede ser una buena máquina para medir propiedades sutiles del Higgs liviano y especialmente bueno para descubrir y medir los Higgs pesados. Si la supersimetría existe, ¿tiene una masa alta o baja?

CLIC sería la máquina que pueda medir partículas con masas mayores a 500 GeV con mucha precisión. No sabemos si existe o no la supersimetría, pero sabemos que es posible".

Una tecnología alternativa

Si CLIC usa la misma tecnología de aceleración que el ILC, necesitaría ser de 118 km de longitud para alcanzar su objetivo. Para construir un colisionador de 30 km, los científicos usarán una nueva técnica de aceleración, caracterizando al proyecto de otros propuestos.

Gradientes de alta aceleración (la cantidad de aceleración por metro de máquina) son necesarios para limitar la longitud de una máquina de múltiple TeV. Esos gradientes son fáciles de alcanzar con campos eléctricos oscilando a alta frecuencia. Los físicos de CLIC seleccionaron una frecuencia de 30 GHz, para alcanzar un gradiente de 150 millones de voltios por metro. En comparación, el ILC operará a una frecuencia de 1.3 GHz para producir un gradiente de 35 millones de voltios por metros.

En un acelerador lineal convencional, el poder de radio-frecuencia (rf) usado para acelerar el haz principal es generado por dispositivos llamados klystrons. Éstos crean ondas de rf en una forma similar a un horno de microondas. Como los klystrons usan mucha energía a altas frecuencias y 3 TeV requeriría muchos de ellos, los científicos proponen una solución innovadora basada en un esquema de acelerador de dos haces. Paralelos a los haces principales del acelerador lineal correrían conductores de haces de baja energía. Cada conductor potencia una sección de 670 metros del linac principal. "Al final de cada sección, el conductor es enviado a un vertedero y otro conductor se hace cargo, como una carrera de relevos", dice Ian Wilson, del CERN.

CLIC requeriría 21 conductores para alcanzar los 3 TeV. La distancia entre los conductores y los linacs es de sólo 60 cm, por lo que la potencia es provista cerca de donde es necesitada. Esta técnica maximiza la transferencia de energía del conductor al linac, convirtiéndola en una solución atractiva para los expertos en aceleradores.

Que la física decida

Dentro de cinco años, muchas cuestiones acerca del futuro de la física de partículas deberían estar cerca de responderse. Estarán fluyendo los datos del LHC, la factibilidad de la tecnología CLIC será conocida y el ILC tendrá un diseño de ingeniería. Hasta entonces, en vez de estar en dos equipos diferentes, los científicos de estos dos posibles aceleradores están trabajando juntos para el futuro del sector.

"Sentimos que estamos trabajando todos hacia un objetivo común", agrega Steffen Doebert, físico de SLAC que trabajó en CLIC e ILC. "Queremos proveer una máquina para física de partículas y ambas, CLIC e ILC, son muy interestantes proyectos de investigación y desarrollo".

Costo

La información sobre el costo del LHC es ambigua, pero se especula que trepa a u$s 10 mil millones. Para el ILC el costo sería de 7 mil millones de dólares. Las cifras son escalofriantes, ciertamente. Claro que habría que considerar también, que la guerra en Irak lleva desperdiciados los más aterradores ¡550 mil millones! de moneda estadounidense.

Un bombardero B-2 tiene un costo de 2 mil millones de "Washingtons" con el objetivo de producir sólo muerte y destrucción.

La ciencia necesaria para el diseño, construcción y evaluación de los resultados de los aceleradores de partículas produce educación, conocimiento e innovaciones que se traducen en transferencia de tecnología a otras áreas de la sociedad.

Y por supuesto, el objetivo es descubrir, aprender y asombrarse ante la maravillosa Naturaleza escondida en los núcleos atómicos y los agujeros negros.

Y, aunque digan lo contrario, la Tierra no peligra.

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Fuentes y links relacionados

• Symmetry: CLIC,The Compact Linear Collider
• Space Disco:Beyond the LHC: What's the Next Colossal Collider?
• ILC
• CLIC

Vía: Noticias del Cosmos