Europa quiere seguir liderando la investigación en física. Quiere construir el mayor colisionador de partículas del mundo, el heredero del LHC gracias al cual la disciplina ha dado saltos de gigante en los últimos 20 años. Llamado Colisionador Circular de Futuro (FCC en inglés), tendría 100 km de perímetro (frente a los 27 del LHC) bajo el suelo de la zona fronteriza entre Francia y Suiza.
IMÁGENES: CERN / Wikimedia Commons
Será la mayor máquina jamás construida por el ser humano. Como unidad, porque ya existen instalaciones más grandes, pero se componen de varias unidades interconectadas. Aquí hablamos de un solo mecanismo complejo de varias partes que sólo tienen sentido al conformar una máquina única que tendría un perímetro de 100 km. Más grande que algunos países del planeta. Y se usará, principalmente, para saber de qué está forjado el 95% del Universo, esa oscuridad que no es vacío y que en realidad condiciona a la propia materia visible (estrellas, nubes de gases, roca, materiales, nosotros mismos…). El proyecto fue presentado a principios de año con el respaldo de 1.300 investigadores de 35 países con la firma intención de que la física de partículas sea la reina del conocimiento humano. Es imprescindible conocer el Universo para poder expandir nuestras posibilidades. Con una potencia siete veces superior al LHC con el que se demostró el bosón de Higgs quieren romper esa frontera y llegar más allá para comprender por qué existe la materia, por qué se configura el Universo de esta manera, en la que más del 90% del total es oscuridad desconocida pero que no es “nada”, en el sentido de que existe de alguna forma. La materia “visible” apenas representa el 5% del total, y es lo que conocemos, desde las galaxias al suelo que pisamos, el aire que respiramos o el café del desayuno.
Para entender por qué sólo ese 5% es lo que es, y cómo se estructura el Todo, hay que conocer el otro 95%, que se divide entre materia oscura y energía oscura, en especial la primera, un 27% del total que posee un empuje gravitacional tan fuerte que incluso condiciona la estructura de las galaxias; el otro 68% es la energía oscura y que en teoría es la responsable de que el Universo siga en expansión. La materia oscura es una de las murallas que quedan en pie frente a nosotros, uno de los impedimentos para que por fin la ciencia pueda crear la Teoría del Todo, una gran teoría coordinada que pueda unificar el mundo subatómico de partículas infinitamente pequeñas con el gran universo descomunal. Esto es, combinar la mecánica cuántica con la relatividad general: es que ambas teorías, que funcionan por sí solas en sus campos, luego no tienen manera de ser conectadas. Es como si existiera un gran abismo entre ambos mundos, lo cual es absurdo porque todo forma parte de un gran Todo interrelacionado.
Montaje de cómo sería el anillo del FCC
Necesitamos, para entender el cosmos y a nosotros mismos, una teoría unificada que pueda aglutinar todas las interacciones físicas de la naturaleza, por qué la materia es como es y por qué las partículas se comportan como lo hacen y qué conexión tienen con el entramado que hace girar a los planetas y todo lo demás. Esto es: un Manual que explique la fuerza gravitatoria, la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. Ninguna teoría ha sido capaz de explicar el Todo de alguna forma, no hay resultados experimentales. Y una de las barreras para poder crear esa teoría es la materia oscura. Ése será el objetivo del FCC, que tiene que entrar en funcionamiento en paralelo al fin del LHC, previsto para el año 2037 por desgaste y por otros usos futuros. El proyecto tiene varias escalas, canalizadas a través de la institución que controla todas las instalaciones, el CERN (el laboratorio europeo de física de partículas que gestiona el LHC y el resto de centros de investigación del continente), para que cada una de las máquinas haga un trabajo que se conectará con la siguiente, “como las marchas de un coche” según la versión pública del proyecto, y que serviría para aumentar la potencia al máximo.
Ahora un tema menos etéreo: costes y plazos. Para poder construir el FCC harán falta 24.000 millones de euros de inversión, y con tecnologías que todavía no existen. Ese dinero servirá para engrasar una maquinaria multidisciplinar que necesitará primero crear una tecnología nueva para poder construir luego la propia instalación. Un elemento clave serán los imanes superconductores que aceleran las partículas y dirigirlas allí donde es necesario. Ante la pregunta de cuándo estaría en marcha semejante monstruo, los plazos se alargan: como mínimo el año 2050. El problema es que China va a hacer lo mismo, con un acelerador muy parecido (pero no igual) con tecnología ya disponible o en fase de experimentación y que estaría listo en 2040. El arranque además no sería al unísono, sino por fases. En la primera (el cálculo es 2040, cuando quizás China ya tuviera en marcha el suyo) pondrá en marcha el túnel de 100 km para colisionar electrones y su reverso de antimateria, los positrones. Literalmente fabricará bosones de Higgs que permitieran su estudio más detallado. En la segunda fase (ya en 2050) entraría el resto de la instalación que permitiría colisionar protones, algo desconocido hasta ahora y que expandiría el conocimiento de lo muy pequeño en el Universo.
Imagen del LHC
La competencia es fuerte, y el proyecto es tan grande que requiere colaboración internacional. Si bien China sigue su propio camino al margen del resto, Europa cuenta con el apoyo de investigadores norteamericanos, canadienses y japoneses. Precisamente Japón es clave, porque hay pendiente un proyecto más pequeño en este archipiélago, el Colisionador Lineal Internacional, con un 25% de potencial del LHC pero que permite estudiar el bosón de Higgs con más detalle. Si se pone en marcha podría afectar a la inversión del FCC, ya que el dinero de Europa está sometido a un presupuesto estricto y debe saber dónde va a invertir. A la memoria de muchos investigadores acude uno de los fracasos más sonoros en este campo, el Supercolisionador que intentó construir EEUU por su cuenta en los años 90 y que terminó cancelado por los costes desproporcionados. La colaboración internacional es clave porque China tiene el dinero y gracias a su política de enviar estudiantes hasta el último rincón de la Tierra, el conocimiento teórico para poder hacerlo. Nadie duda de que en un par de décadas serán la punta de lanza del conocimiento en muchas disciplinas. Salvo que el resto mantenga el ritmo y haga valer sus logros previos.
En física se hace real la frase de Newton, en la que recordaba que había visto más allá porque se había subido “a hombros de gigantes” previos. En este caso la experiencia acumulada por el CERN con el LHC es clave para que el FCC funcione y llegue a buen puerto. En tiempos económicos y políticos convulsos invertir en ciencia puede parecer impopular, pero es vital para la especie y nuestro futuro. Y en ese campo los aceleradores-colisionadores de partículas son la clave. Un colisionador hace chocar haces de protones casi a la velocidad de la luz: el impacto los descompone en partículas más elementales, y a mayor potencia de la máquina, más masa tienen las partículas generadas, lo que permite un estudio más detallado. Por eso el FCC deberá tener un anillo de 100 km, para ganar potencia. Permitiría, por ejemplo, ir más allá del bosón de Higgs, encontrar partículas más masivas. Es la nueva física de partículas. La gran obsesión, romper una pared para ver más allá y preparar el mazo para romper la siguiente.
El FCC sería la herramienta para saber si hay algo más allá de las partículas elementales como esos bosones: es como bajar por una escala en espiral, en la que en cada nivel hay partículas más pequeñas, compuestas a su vez de otras, y así sucesivamente. Hasta llegar al punto clave de todo, la primera piedra de construcción del Todo. Serviría para confirmar o no la supersimetría que trae de cabeza a los físicos. Quizás la metáfora del mazo sea parcialmente certera: además el FCC sería como uno de esos galeones que exploraban tierras desconocidas. La física ya ha agotado casi todo lo que tenía a mano. Está encapsulada en sus propias preguntas, y necesita expandir sus límites a toda costa para comprender mejor. Es el ariete humano frente al Universo. Y para eso hacen falta monstruos como el FCC.
¿Qué es la materia oscura?
Materia oscura es la hipotética materia que no emite suficiente radiación electromagnética como para ser detectada por los sensores actuales pero cuya existencia se deduce a partir de los efectos gravitacionales que provoca en la materia “visible” como las estrellas, las galaxias. Podría ser, incluso, la clave que explique por qué existen las galaxias y por qué no se disgregan. Es decir: existe porque interactúa con lo que ya sabemos que existe. Es esa parte del gran mecano universal que funciona a pesar de que no seamos capaces de verla o capturarla. El universo se compone de energía y materia, y la materia visible empíricamente (estrellas, rocas, galaxias) apenas son el 0,5% del total, a lo que hay que sumar los cúmulos de gases que sí son visibles, y que completarían ese 4,5 o 5% del total que sí es “visible”. ¿Y de qué se compone a su vez la materia oscura? Se han propuesto varias ideas, una de ellas es que se conforme a partir de partículas masivas de interacción débil (WIMPs), axiones y neutrinos estériles, que emiten rayos X cuando se desintegran y que podrían dejar un rastro “visible” para nuestra tecnología, como ocurrió con los sistemas Chandra y XMM-Newton.
La existencia de la materia oscura fue postulada por primera vez por Fritz Zwicky en 1933 de manera indirecta: había algo no visible que influía en las velocidades orbitales de las galaxias en los cúmulos, las lentes gravitacionales de los objetos de fondo así como la distribución del gas caliente en los citados cúmulos. Imaginen que hubiera algo que interactúa con ustedes y que está presente y existe aunque no seamos capaces de verlo. La mejor manera de ejemplarizarlo es un humano en una bicicleta: cuando pedaleamos nos rodea el aire, que está ahí aunque no lo veamos. Cuanto más deprisa nos movemos más resistencia ofrece el aire, sentimos su existencia porque chocamos con él y la masa invisible nos condiciona en nuestro movimiento; incluso, si hubiera viento que soplara en nuestra misma dirección, el aire en movimiento nos impulsaría en lugar de frenarnos. Evidentemente tiene muchas más connotaciones, perdón para los físicos (recuerden, intentamos comunicar) pero seguro que ya entienden algo mejor el concepto.
¿Qué es la energía oscura?
Si hay un concepto complejo todavía más intrincado que el de la materia oscura, y relacionado íntimamente con ésta, esa es la energía oscura, una constante cosmológica que teóricamente es responsable de la aceleración de la expansión del universo, ya que podría tener un comportamiento “repulsivo” (interactuaría con la materia repeliéndola, provocando un efecto de expansión). Es otro “concepto muleta” para intentar explicar por qué el universo no para de expandirse, y de hacerlo cada vez más rápido. Y también para corregir la edad del universo: el consenso era un cálculo de 10.000 millones de años, pero la edad de las estrellas más viejas superaba esa cifra, lo que supone una paradoja (¿cómo es posible que haya estrellas más viejas que el propio inicio del universo?). Posible explicación: algo acelera el universo. Y ese algo es la energía oscura. Nueva edad: 13.700 millones de años para “que cuadre”.
La energía oscura representaría casi el 72% del todo, otro 23% sería materia oscura y el resto es lo visible (del cual un 3,5% es gas y el resto es materia visible, desde estrellas a asteroides). Energía oscura y materia oscura NO son lo mismo: la primera es una campo que ocupa todo el universo y la segunda es sólo una parte del mismo. Fue en 1998 cuando un experimento del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el High-Z Supernova Search Team dio como resultado una posible aceleración del universo, un aspecto confirmado posteriormente con más experimentos. La energía oscura sería responsable, y no sólo es, sino que permitiría que la suma de energía y materia del universo fuera correcta. Su cantidad se deduce de la densidad crítica posible en el universo, que presupone que sólo un 30% del total puede ser masa bariónica (visible, ya sea gas o sólida) y materia oscura, así que para que cuadre tiene que haber una energía oscura que no somos capaces de entender. Hay algo, es obvio, y ese algo incide en el universo. Tampoco se sabe bien cual es la naturaleza de esta energía. Es la nueva frontera de la física.