Un colisionador que alguna vez fue fantástico podría responder a los mayores misterios de la física

Cuando se trata de física de partículas, Tova Holmes estuvo allí, lo hizo y consiguió la camiseta; de hecho, ella misma la diseñó. Todo comenzó en 2022, cuando ella y algunos colegas llegaron a una reunión de físicos de partículas decididos a defender el desarrollo de un tipo completamente nuevo de máquina trituradora de partículas.

Lo hicieron luciendo camisetas adornadas con un motivo que representa un acelerador de partículas circular y una sola palabra: CONSTRUIR. "Queríamos encontrar una manera para que la gente mostrara visiblemente lo emocionados que estaban por un colisionador de muones", dice Holmes, que trabaja en la Universidad de Tennessee, Knoxville.

Para sus defensores, este novedoso colisionador sería exactamente el estímulo que la física de partículas tan desesperadamente necesita. El famoso Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el laboratorio de física de partículas del CERN cerca de Ginebra, Suiza, por maravilloso que sea, simplemente no ha realizado ningún descubrimiento verdaderamente nuevo en años. La respuesta, dicen Holmes y sus semejantes, no es construir sucesores cada vez más poderosos para el LHC, como algunos quisieran, sino cambiar las reglas del juego por completo. Quieren hacer colisionar un extraño tipo de partícula conocida como muón.

A muchos, sin embargo, la propuesta les ha parecido desde hace mucho tiempo, en el mejor de los casos, fantasiosa. Después de todo, los muones viven sólo una fracción de segundo. Pero los avances tecnológicos están empezando a hacer que la idea sea más viable y las organizaciones de financiación la están observando con gran interés. Todo lo cual hace que valga la pena preguntarse: ¿qué se necesitaría para construir esta magnífica máquina de muones y, si lo hiciéramos, qué secretos de la realidad podría revelar?

En 2012, el LHC confirmó la existencia del bosón de Higgs, una partícula propuesta casi medio siglo antes para explicar cómo las fuerzas fundamentales de la naturaleza se dividieron por primera vez en el universo primitivo. El bosón se produce por una excitación en el campo de Higgs, que dota de masa a ciertas partículas (incluidos los bosones W y Z que transportan la fuerza débil) y deja intactas otras, como el fotón.

Fue una reivindicación espectacular de las teorías de los físicos sobre el mundo de las partículas. Pero también fue inquietante. La propia masa del bosón de Higgs es sorprendentemente pequeña. La teoría cuántica de campos sugiere que debería ser mucho mayor, pero se posa, en un equilibrio antinatural, precisamente en el nivel requerido para mantener estable el vacío del espacio-tiempo. ¿Por qué tan perfectamente preparado? "La gente habla del descubrimiento del Higgs como la culminación de la física de partículas", dice Patrick Meade de la Universidad Stony Brook en el estado de Nueva York. "Pero en realidad fue la respuesta más confusa. Fue el comienzo".

La próxima gran máquina de descubrimiento

Pero si realmente fue el arranque, entonces el motor parece haberse detenido, porque hoy la física experimental de partículas está en un callejón sin salida. Responder a las profundas preguntas planteadas por el Higgs requerirá una nueva máquina, capaz de sondear más profundamente los fundamentos de la naturaleza a través de colisiones de partículas diferentes o más poderosas.

La idea más sencilla es el enfoque de fuerza bruta: construir una versión más grande del LHC. Ésa es la idea detrás del Futuro Colisionador Circular, una propuesta que se está desarrollando en el CERN para un supercolisionador de protones de próxima generación con un anillo de tres a cuatro veces la circunferencia del LHC. Podría aplastar protones con más de siete veces la energía de su predecesor simplemente estirándose a una distancia mayor. Esto permitiría a los físicos descubrir partículas o fenómenos que emergen sólo a energías más altas, al mismo tiempo que sondea distancias cada vez más cortas y revelaría estructuras de materia más fundamentales.

Pero los protones no son partículas fundamentales; son haces de quarks y gluones. Cuando dos protones chocan frontalmente, son sus constituyentes los que realmente chocan, produciendo confusos aerosoles de partículas secundarias que los físicos deben analizar minuciosamente. Además, hacer una máquina como el LHC más grande también tendría un precio deslumbrante.

En el otro extremo se encuentran los colisionadores electrón-positrones, como el Colisionador Lineal Compacto, otra propuesta de los investigadores del CERN. Los electrones y positrones son partículas fundamentales, puntuales, con cargas opuestas, por lo que sus colisiones son mucho más limpias y fáciles de interpretar. La dificultad es que empujarlos alrededor de una pista circular a altas energías hace que liberen abundante energía en forma de radiación. Los colisionadores lineales intentan eludir esta limitación acelerando partículas a lo largo de una trayectoria recta. Pero las partículas no se pueden reutilizar, a diferencia de un anillo, que las recicla en múltiples pasadas.

Pero también hay un caballo oscuro en la carrera: el colisionador de muones. Los muones son esencialmente los primos más pesados ​​de los electrones, unas 200 veces más masivos pero con la misma carga negativa. No sería posible verlos en los átomos que componen la materia cotidiana, pero se producen fugazmente cuando los rayos cósmicos de alta energía chocan contra las moléculas en la atmósfera superior de la Tierra.

Su peso adicional significa que irradian mucha menos energía cuando se doblan alrededor de un anillo en un colisionador, lo que les permite alcanzar energías mucho más altas sin necesidad de un túnel mucho más grande. Sin embargo, al igual que los electrones, son partículas fundamentales, por lo que sus colisiones serían comparativamente limpias. En principio, un colisionador de muones podría superar nuestra actual frontera energética de 13,6 teraelectronvoltios (TeV) en un factor de cuatro mientras encaja dentro de un anillo no mucho más grande que el del LHC, según estudios de diseño realizados por la Muon Collider Collaboration de EE. UU.

La idea no es nueva. Los físicos ya estaban esbozando propuestas para colisionadores de muones en la década de 1960, pero había un problema: los muones, a diferencia de los protones o los electrones, deben producirse. Los científicos no pueden extraerlos suavemente de los átomos antes de acelerarlos a velocidades cercanas a la luz. En lugar de ello, los producen aplastando protones contra un objetivo, como un bloque sólido de grafito, y produciendo lluvias de otras partículas llamadas piones, que luego se desintegran en muones. El resultado es menos un rayo y más un rocío: partículas que se abren en abanico en todas direcciones, con una amplia gama de energías y trayectorias. Convertir ese caos en un rayo bien enfocado y de buen comportamiento es el desafío técnico central.

Hay una complicación adicional: los muones son inestables. En reposo, sobreviven sólo 2,2 microsegundos antes de descomponerse en otras partículas. Por el contrario, llevar los protones del anillo principal del LHC a su máxima velocidad tarda unos 20 minutos, aproximadamente 550 millones de veces más que la vida natural de un muón.

Un colisionador de muones es, por tanto, una carrera contra el tiempo. Los físicos deben capturar una nube caótica de partículas recién nacidas, luego comprimirla y acelerarla antes de que sea demasiado tarde. "Se comienza con un haz de muones del tamaño de una pelota de playa y se desea convertirlo en algo del grosor de un cabello humano", dice Meade. "Y tienes que hacerlo súper, súper rápido". Luego, dos de estos rayos ultrafinos deben dirigirse hacia ellos para que colisionen directamente, produciendo bosones de Higgs de alta energía en la salpicadura.

Durante décadas, esa combinación de velocidad y precisión mantuvo la idea al margen. Los colisionadores de muones resurgieron durante el proceso Snowmass de 2013, el ejercicio estratégico que se realiza una vez por década en el que los físicos de partículas estadounidenses trazan las prioridades futuras del campo. Incluso entonces, pospusieron el colisionador de muones por ser inviable.

Holmes todavía estaba al comienzo de su carrera en ese momento, trabajando para obtener una maestría. Pero durante la década siguiente, una serie de avances técnicos comenzaron a transformar el colisionador de muones en un serio candidato a ser la máquina de descubrimiento de su generación.

Reviviendo el colisionador de muones

Se ha producido un cambio dramático gracias al progreso gradual de la tecnología. Los primeros diseños del colisionador de muones imaginaban energías de colisión modestas en comparación con lo que los investigadores creen que podemos lograr hoy. Los planes recientes llegan hasta el rango de 30 TeV, 100 veces más energético que las propuestas iniciales de los años 1960. A esas energías, los muones viajan tan cerca de la velocidad de la luz que la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein se convierte en una aliada. Para un observador externo, el tiempo se ralentiza para las partículas que se mueven rápidamente. Cuanto más rápido van los muones, más tiempo parecen vivir.

El efecto es dramático. Incluso en un modesto colisionador de muones de 10 TeV, los muones podrían sobrevivir hasta una décima de segundo, aproximadamente 45.000 veces más que su vida normal. Paradójicamente, hacer que los muones vayan más rápido compra preciosos microsegundos extra para controlar el haz.

Y los investigadores han aprendido a utilizar ese tiempo prestado. En 2020, el Experimento de enfriamiento por ionización de muones, dirigido por Kenneth Long en el Imperial College de Londres, demostró una técnica conocida como enfriamiento por ionización. Los muones pasaron a través de materiales como hidrógeno líquido o hidruro de litio, lo que redujo su impulso en todas direcciones. Luego, los investigadores los aceleraron hacia adelante utilizando campos eléctricos que oscilaban rápidamente, transformando un rocío difuso en un grupo apretado y de rápido movimiento.

"Suena completamente loco porque el reverso del sobre simplemente dice que no es posible", dice Jesse Thaler del Instituto Tecnológico de Massachusetts, quien hace una década se mostró escéptico ante la idea de un colisionador de muones. "Pero en realidad, más allá del reverso del sobre, con más estudios científicos, empieza a parecer cada vez más plausible".

Con el tiempo, los investigadores también adquirieron experiencia práctica en el manejo de muones. A partir de 2017 en el Fermilab de Illinois, el experimento Muon g-2 midió la mínima oscilación de los muones que circulan dentro de un campo magnético, una cantidad que los teóricos habían predicho con notable precisión. Mediciones anteriores insinuaban que el valor podría desviarse del modelo estándar de física de partículas, nuestra mejor comprensión de cómo funcionan tres de las cuatro fuerzas fundamentales y las partículas elementales, lo que genera esperanzas de una nueva física. Pero los cálculos mejorados finalmente lograron que el resultado volviera a ser correcto. Aun así, el experimento proporcionó experiencia adquirida con esfuerzo en la producción, almacenamiento y control de muones a escala.

En 2022, cuando Holmes y sus colegas asistieron a la siguiente reunión de Snowmass con sus camisetas de diseño propio, el colisionador de muones se había convertido en uno de los principales candidatos para la próxima gran máquina del campo. En Europa, la Colaboración Internacional sobre Colisionadores de Muones (IMCC), respaldada por el CERN, ha iniciado estudios paralelos. En Estados Unidos, a muchos físicos les gustaría que se construyera un futuro colisionador de muones en el Fermilab, mientras que sus homólogos europeos están explorando si algún día podría albergarse en el CERN.

"El colisionador de muones es un concepto bastante antiguo", dice Steinar Stapnes de la Universidad de Oslo en Noruega, miembro del IMCC. "Ahora todo el mundo piensa que es muy interesante, científica y técnicamente".

Estamos en un punto en el que es juego de cualquiera. Cada propuesta de colisionador que hemos mencionado debe primero completar estudios técnicos y demostraciones piloto antes de que los gobiernos decidan cuál asegurará miles de millones en financiación. Mientras tanto, campos rivales de defensores argumentarán que su máquina debería definir la próxima era de la física de partículas.

“Una máquina como ésta estaría disponible a mediados de siglo”, afirma Holmes. "Eso es si recibimos una gran cantidad de financiación".

Sergo Jindariani, que dirige la Colaboración Estadounidense sobre el Colisionador de Muones, está dirigiendo los primeros estudios de viabilidad de la máquina propuesta. "Hemos estado haciendo las cosas de la misma manera durante muchas décadas", dice. "En algún momento, necesitaremos un nuevo enfoque, y la colisión de muones puede ser eso".

Ventana al Higgs

Entonces, ¿qué nos diría un colisionador de muones si se construyera? Los investigadores dicen que su objetivo central sería explorar el bosón de Higgs más profundamente que cualquier máquina anterior. Aunque fue descubierto hace más de una década, el Higgs en sí sigue siendo profundamente desconcertante. "En el modelo estándar, hay más de una docena de partículas, pero ninguna de ellas tiene propiedades como el Higgs. Es algo único", dice Jindariani.

Los físicos sospechan que el campo de Higgs dio forma al universo primitivo. A medida que el cosmos se enfrió después del Big Bang, el campo se encendió durante una transición que dividió la fuerza electrodébil unificada en las fuerzas electromagnética y débil separadas que vemos hoy. Cuán violenta fue esa transición podría ayudar a explicar uno de los misterios más profundos de la física: por qué la materia sobrevivió mientras la antimateria desapareció.

Incluso hoy en día, es posible que el campo de Higgs no sea del todo estable. Algunos cálculos incluso insinúan que nuestro universo se encuentra en un estado precario, con el campo de Higgs no en su energía más baja posible. En ese caso, una fluctuación cuántica podría algún día llevarlo a un estado energético más profundo, un proceso conocido como desintegración del vacío. Si esto sucediera, todo en nuestro universo cambiaría instantáneamente.

"Todas las partículas fundamentales que tienen masa se volverían más pesadas y presumiblemente reordenarían completamente nuestros elementos y provocarían un caos total", dice Holmes.

"Esencialmente, es como si alguien encendiera o apagara las luces del universo. Si están apagadas, ninguno de nosotros existe. Si están encendidas, podemos vivir", dice Meade.

Los físicos ya sospechan que algo anda mal. La teoría cuántica predice que las interacciones con partículas pesadas deberían llevar la masa del bosón de Higgs a valores enormes. En cambio, se sitúa en unos relativamente modestos 125 gigaelectronvoltios. Hacer que los números funcionen requiere un grado extraordinario de ajuste.

Durante décadas, los físicos han propuesto formas de resolver esta tensión. Una idea es que no hay uno, sino múltiples bosones de Higgs. Si cada partícula conocida en el modelo estándar, incluido el bosón de Higgs, tuviera una compañera más pesada, se cancelarían los efectos que los científicos actualmente creen que deberían inflar la masa de Higgs. Otra idea es que el Higgs no es fundamental en absoluto, sino compuesto, formado a partir de constituyentes más pequeños unidos entre sí, de forma muy parecida a como los protones están formados por quarks.

Cada una de estas posibilidades dejaría huellas experimentales que un colisionador de muones podría detectar midiendo cómo el Higgs se acopla con otras partículas y con él mismo a altas energías, dice Holmes. Es esta característica la que ofrece ventajas al colisionador de muones frente a las denominadas fábricas de Higgs, normalmente colisionadores de electrones y positrones diseñados para producir grandes cantidades de bosones de Higgs, pero con energías más bajas de las que podría alcanzar una máquina de muones.

Antes de poder construir un colisionador de muones a gran escala, los investigadores deben demostrar que sus tecnologías clave funcionan en la práctica. El siguiente paso es una instalación de demostración para probar si los rayos de muones pueden prepararse y controlarse lo suficientemente bien como para colisionar. El IMCC está desarrollando planes para una máquina de este tipo en el CERN, mientras que la Colaboración Estadounidense sobre el Colisionador de Muones, en colaboración con el IMCC, está explorando un demostrador similar en el Fermilab. El objetivo es producir diseños técnicos detallados alrededor de 2030. Si los gobiernos lo aprueban y financian, un demostrador podría comenzar a operar a principios de la década de 2030, proporcionando la prueba de principio necesaria para un colisionador completo.

Pero los científicos como Holmes están en esto por mucho tiempo. Tiene fe en que el colisionador de muones saldrá victorioso como el próximo gran proyecto del mundo. Y los físicos parecen estar apoyándola. Ella y sus colegas ya no son los únicos que llevan camisetas del colisionador de muones: "Estoy encantada de ver con qué frecuencia me presento en otro departamento y los veo ya allí".

Temas: