Entre Suiza y Francia existe una ‘ciudad’ subterránea a 175 metros de profundidad con el acelerador de partículas más grande del mundo

Construido por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, por sus siglas en inglés) entre finales del siglo XX y comienzos del XXI, el Gran Colisionador de Hadrones es el acelerador de partículas más grande y potente del mundo. Su desarrollo ha sido posible gracias a la colaboración de miles de científicos, laboratorios y universidades de decenas de países.

Ésta enorme infraestructura, ubicada en un túnel de unos 27 kilómetros de circunferencia y a una profundidad que alcanza hasta los 175 metros bajo tierra, se extiende bajo la frontera entre Francia y Suiza, en las proximidades de Ginebra.

El acelerador de partículas más grande del mundo

Su anillo de imanes superconductores, de casi 27 kilómetros de longitud, acelera los protones hasta el 99,9999991% de la velocidad de la luz antes de hacerlos colisionar en cuatro puntos principales. Ahora, la máquina que permitió descubrir el bosón de Higgs apunta a un objetivo aún más ambicioso. La Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) ha completado un informe de viabilidad para el Futuro Colisionador Circular (FCC), un acelerador subterráneo propuesto de unos 90 kilómetros que podría suceder al LHC en la década de 2040.

El LHC es el acelerador de partículas más grande y potente del mundo. El CERN señala que utiliza un anillo de imanes superconductores y estructuras aceleradoras de 26,7 kilómetros (16,6 millas) de longitud, instalado en un túnel con una profundidad media de unos 100 metros (328 pies) bajo tierra, cerca de Ginebra, aunque algunas zonas de la infraestructura subterránea del CERN alcanzan profundidades aún mayores. Para que esto sea posible, los imanes deben mantenerse a 1,9 kelvin, es decir, aproximadamente -456 grados Fahrenheit.

CIEMAT

La Unidad de Tecnología de Aceleradores del CIEMAT desempeña un papel clave en el diseño de este acelerador. El LHC utiliza dipolos superconductores de 8,3 T y, además, el resto de sus imanes también son superconductores, aunque en general presentan un tamaño menor que el de los dipolos.

Precisamente, uno de estos imanes marcó el inicio de la actividad del grupo en el campo de los aceleradores de partículas: un cuadrupolo de sintonía desarrollado entre 1989 y 1992. A partir de ese primer trabajo se inició una amplia y continuada labor orientada al cálculo, diseño, construcción y ensayo de prototipos de imanes superconductores correctores para el LHC, incluyendo su análisis teórico y experimental, así como el desarrollo del equipamiento necesario para su fabricación y pruebas.

Como resultado de esta actividad, se adjudicó a una empresa española la fabricación de aproximadamente 1.200 correctores superconductores para el LHC. El cuadrupolo superconductor fue también otro de los desarrollos realizados por la unidad para este acelerador.

Actualmente, se está trabajando en la mejora del LHC, dentro del proyecto denominado LHC de Alta Luminosidad (HiLumi). Este proyecto introduce modificaciones importantes, especialmente en la zona de colisión de las partículas, con el objetivo de incrementar la luminosidad (magnitud asociada al número de colisiones por segundo) en un factor de 10.

El CIEMAT participa en este programa mediante la construcción de un prototipo de dipolo anidado doble (dos dipolos integrados en un mismo imán), un desarrollo de alta complejidad tecnológica tanto por el tamaño de las bobinas como por el elevado par de fuerzas que se genera entre ambos dipolos.

Futuro Colisionador Circular (FCC)

«Tanto en la estrategia Europea, como en la de EEUU y en Japón (sede del SuperKEKB), se ha decidido que la estrategia para el futuro es un colisionador que sea una factoría de Higgs, así llamadas porque producirían muchos millones de bosones de Higgs y otras partículas. Y para ello, lo más adecuado son colisionadores electrón-positrón, es decir, colisionadores leptónicos», explica Alberto Ruiz Jimeno, catedrático emérito de la Universidad de Cantabria (UC) e investigador del Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC).

Ruiz Jimeno explica que «una vez descubierto el bosón de Higgs en 2012, el LHC no ha descubierto nuevas partículas, lo que plantea la necesidad de buscar nuevas pistas que lleven más allá del Modelo Estándar». Por ello, «hace falta estudiar las medidas de las propiedades del bosón de Higgs y sus acoplamientos con muchísima más precisión». Finalmente, concluye que «lo ideal sería crear un colisionador electrón-positrón, que tenga muy poco ruido y sea muy sensible a los sucesos de colisión».

En este momento ya se han realizado los primeros estudios geológicos y administrativos entre las distintas regiones que podrían verse afectadas por la construcción del futuro acelerador circular del CERN. En términos de financiación, la primera fase del FCC tendría un coste aproximado de unos 12.000 millones de euros, incluyendo la obra civil, aunque la cifra total podría elevarse hasta los 20.000 millones al final del proyecto. Sin embargo, el desarrollo final del proyecto dependerá en gran medida de la evolución del LHC de alta luminosidad y de las decisiones estratégicas que se tomen en el ámbito internacional, según el Instituto de Física de Cantabria.