El laboratorio europeo de física de partículas CERN planea construir un anillo subterráneo de 91 kilómetros de perímetro para alojar el Futuro Colisionador Circular (FCC), el acelerador de partículas más grande y potente del mundo. Si se aprueba su construcción, permitirá estudiar colisiones de partículas con una precisión y un nivel de energía nunca alcanzados antes, lo que podría aportar respuestas a algunos de los misterios no resueltos del Universo, como la naturaleza de la materia oscura y de la energía oscura, o por qué hay más materia que antimateria.
El FCC se ubicará en un túnel a 200 metros de profundidad a caballo entre Francia y Suiza y una parte de su trazado pasará bajo el lago Leman, junto a Ginebra, según las primeras conclusiones del Informe de Viabilidad del FCC que el CERN ha hecho públicas. En su interior circularán dos haces de partículas en direcciones opuestas a velocidades próximas a las de la luz. En cuatro puntos del anillo, se provocarán colisiones frontales entre las partículas guiándolas con imanes.
La energía liberada en las colisiones alumbrará nuevas partículas de acuerdo con la ecuación de Einstein E = mc² (donde E designa la energía; m, la masa de las partículas que se crearán; y c, la velocidad de la luz). Cuatro enormes detectores ubicados en estos cuatro puntos del trazado registrarán los resultados de las colisiones en busca de partículas desconocidas y fenómenos inesperados.
La construcción requerirá una inversión de unos 15.000 millones de francos suizos (unos 15.700 millones de euros al cambio actual), informó Fabiola Gianotti, directora general del CERN, en la rueda de prensa en que presentó el estado del proyecto. Por comparación, el Telescopio Espacial James Webb tuvo un coste de construcción y lanzamiento de 10.000 millones de dólares.
La decisión de construirlo o no se tomará hacia 2028 y entraría en servicio en la década de 2040
La decisión de construir o no el FCC la tomará alrededor de 2028 el Consejo del CERN, el máximo órgano de gobierno de la organización, en el que están representados sus 23 estados miembros, entre ellos España. Si finalmente se construye, el FCC tomará el relevo en la década de 2040 del actual acelerador de partículas LHC (por las iniciales en inglés de Gran Colisionador de Hadrones), donde se descubrió el bosón de Higgs en 2012.
Aunque aquel descubrimiento fue un éxito que validó el Modelo Estándar -la teoría física que explica todas las partículas conocidas y tres de las cuatro fuerzas fundamentales del Universo-, el LHC no ha aportado ningún otro avance de importancia similar desde entonces.
El proyecto prevé contruir un acelerador de partículas circular de 91 kilómetros de perímetro a 200 metros de profundidad
Estos doce años de sequía se atribuyen a que no parece haber nuevas partículas ni nuevas leyes físicas que descubrir en los niveles de energía que alcanza el LHC. Con 27 kilómetros de perímetro -menos de un tercio de la longitud proyectada para el FCC-, el LHC puede hacer colisionar partículas a energías máximas de 14 TeV (teraelectronvoltios).
Sin embargo, debería haber algo importante que descubrir a energías superiores, ya que el Modelo Estándar es una teoría incompleta del Universo, informa Aurelio Juste, investigador Icrea en el Institut de Física d'Altes Energies (IFAE) en Bellaterra, que trabaja en el LHC del CERN.
El Modelo Estándar no explica observaciones como las de la materia oscura (que parece ejercer una atracción gravitatoria como las estrellas pero que es invisible), la energía oscura (que acelera la expansión del Universo con un efecto aparentemente opuesto al de la gravedad) o la supremacía de la materia sobre la antimateria (que explica que estemos aquí, ya que materia y antimateria se aniquilan entre ellas y, si se hubieran creado en cantidades iguales tras el big bang, no podrían haberse formado galaxias, estrellas, planetas y seres vivos).
Según la opinión mayoritaria en la comunidad de física de partículas, para ir más allá del Modelo Estándar será necesaria una máquina con prestaciones superiores a las del LHC. Se espera que el acelerador actual, que entró en servicio en 2010, continúe operando hasta 2040, tras varias renovaciones que están incrementando progresivamente su rendimiento.
El coste de construcción se estima en 15.700 millones de euros a lo largo de diez o doce años
Anticipándose al final del LHC, el Consejo del CERN encargó en 2020 un Estudio de Viabilidad del Futuro Colisionador Circular. El estudio debe definir el diseño, la ubicación y la factibilidad del FCC. Las primeras conclusiones indican que "no hay obstáculos técnicos ni científicos" que impidan llevar a cabo el proyecto, declaró el 5 de febrero en rueda de prensa Eliezer Rabinovici, presidente del Consejo del CERN.
El calendario de trabajo prevé que el informe final del Estudio de Viabilidad se presente en el primer semestre de 2025 para que el Consejo del CERN pueda tomar una decisión sobre la construcción del FCC tres años más tarde. Durante este periodo los estados miembro podrán evaluar el proyecto y su financiación.
Si se aprueba su construcción, las obras se iniciarían a principios de la década de 2030 y el acelerador entraría en servicio a mediados de la de 2040. En una primera fase, se harían colisionar electrones y positrones (las antipartículas de los electrones), que son partículas ultraligeras, por lo que no se alcanzarían enormes energías en las colisiones pero sí una muy alta precisión. En una segunda fase, a partir de la década de 2070, se harían colisionar protones, que son mucho más masivos, con los que se alcanzarían energías de 100 TeV, siete veces más que en el LHC.
Las colisiones alcanzarán energías de 100 TeV, siete veces más que en el actual acelerador LHC
Esta estrategia de empezar con medidas muy precisas y explorar después colisiones muy energéticas en un mismo túnel subterráneo es la misma que ha aplicado con éxito el CERN en el pasado con los aceleradores LEP y LHC, apunta Aurelio Juste, del instituto IFAE. "La precisión nos indica cuál es la dirección correcta en la que tenemos que progresar y cuáles son las direcciones que tenemos que descartar; después, con las colisiones de protones, podemos encontrar lo que buscamos aplicando fuerza bruta", como se hizo con el bosón de Higgs, explica Juste.
La inversión para construir el FCC procederá en gran parte del presupuesto general del propio CERN, aportado por los 23 estados miembro, y "se repartirá a lo largo de diez o doce años", informó Gianotti. Pero la construcción del FCC, adelantó, "necesitará contribuciones adicionales", que otros países podrían aportar. Ya se han iniciado conversaciones con EE.UU., cuyos científicos representan un 16% de la comunidad del CERN, para la futura financiación del FCC.
La incógnita
¿Está justificada la inversión?
Es cierto que en este momento no tenemos una idea teórica clara de qué debemos buscar", declaró Fabiola Gianotti, directora general del CERN, cuando se le preguntó en rueda de prensa si estaba justificado invertir 15.700 millones de euros en una máquina que no se sabía qué iba a buscar ni si hallaría nuevas partículas. "Mi respuesta es que, cuando construimos una infraestructura, no debemos perseguir predicciones sino abordar preguntas abiertas. La naturaleza puede haber elegido un camino distinto al de las predicciones. Es cuando nos falta una guía teórica que necesitamos construir instrumentos, porque nos permitirán plantear nuevas preguntas. Gianotti definió el FCC como "un instrumento sin precedentes para explorar las leyes de la física y la naturaleza a las escalas más pequeñas y a las energías más altas".