El nuevo jefe del CERN apuesta por arreglar nuestra imagen de la realidad

Cuando Mark Thomson tenía 13 años, leyó un libro sobre la Organización Europea para la Investigación Nuclear, más conocida como CERN, un laboratorio de física de partículas cuyo cometido era interrogar el tejido de la realidad. El libro lo dejó fascinado por cómo funcionaba el universo y frustrado por su falta de detalles. Más de 40 años después, Thomson es el director general del CERN y asume el cargo justo cuando éste apaga el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) para realizar mejoras y decide dónde colocar su próxima apuesta multimillonaria.

El objetivo de esta apuesta es responder preguntas importantes y persistentes que aún tenemos. En cierto sentido, la física de partículas no ha cambiado desde que Thomson era un niño: es deslumbrante en sus contornos, pero exasperante en los detalles que aún no puede proporcionar. La joya de la corona del campo, el modelo estándar, describe las partículas y fuerzas que componen el universo visible con extraordinaria precisión. Y en 2012, el descubrimiento del bosón de Higgs pareció ser el golpe maestro que completó su cuadro de realidad. Pero a pesar de su éxito, el modelo estándar no dice nada sobre la materia oscura, una sustancia invisible que se cree constituye la mayor parte del cosmos, y no ofrece una explicación más profunda para las masas de las partículas que cataloga. Tampoco puede explicar por qué el universo contiene materia después del Big Bang.

Ahora que el LHC se someterá a importantes mejoras que agudizarán su búsqueda de fenómenos raros, Thomson habló con el periodista de New Scientist, Alex Wilkins, del CERN en Ginebra, Suiza, sobre las respuestas que el LHC aún puede ofrecer y por qué sus físicos están apostando por un colisionador de £13 mil millones como su sucesor.

Alex Wilkins: ¿Cuánto ha cambiado desde que leíste por primera vez sobre el CERN cuando eras adolescente?

Mark Thomson: Cuando leí por primera vez sobre el CERN, teníamos tres fuerzas fundamentales principales, además de la gravedad. Sabíamos sobre el electromagnetismo y conocíamos la partícula que lo transportaba [conocida como fotón], pero nunca habíamos visto las partículas asociadas con la fuerza débil [conocidas como bosones W y Z]. Fueron descubiertos en el CERN en 1983. Tampoco sabíamos que las partículas fundamentales llamadas neutrinos tenían masa. Hace poco más de 25 años, pensábamos que estas partículas no tenían masa. Y el verdadero descubrimiento masivo, obviamente, fue el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012.

El bosón de Higgs es radicalmente diferente a cualquier otra partícula que conozcamos. No tiene espín ni carga eléctrica, sólo masa, lo que potencialmente lo conecta con varias cuestiones pendientes dentro del modelo estándar de física de partículas. Es único en su tipo, al menos hasta donde sabemos. También tiene la muy extraña propiedad de que, en cierto sentido, el campo cuántico asociado con el bosón de Higgs está presente en todas partes del universo. Es esta propiedad la que da masa a todas las demás partículas. Sin el campo de Higgs, todas las partículas conocidas carecerían de masa. En consecuencia, el campo de Higgs determina muchas propiedades del universo, por ejemplo, la masa del electrón y, en consecuencia, el tamaño de los átomos. También hay preguntas profundas sobre la naturaleza del bosón de Higgs, como si es una partícula fundamental y única, o si existen otros bosones de Higgs.

¿Cuánto queda por encontrar?

Definitivamente no hemos encontrado todo. Si echamos un vistazo retrospectivo a los descubrimientos realmente importantes que cambiaron las reglas del juego (como la masa del neutrino, el bosón de Higgs, el descubrimiento de las ondas gravitacionales, el descubrimiento de la energía oscura), estas cosas ocurren cada cinco a diez años. No se obtienen estos descubrimientos revolucionarios todo el tiempo y no se debe esperar que así sea. Ahora estamos en un punto en el que entendemos el universo muy bien, pero también entendemos que hay tantas preguntas que no entendemos, pero que podemos empezar a responder.

Sabemos que hay materia oscura ahí fuera. En algún momento descubriremos de qué se trata. No sabemos cuándo, pero descubriremos de qué se trata.

También sabemos que las partículas que componen el universo tienen un patrón de masas muy extraño. Parece semi-aleatorio y realmente no entendemos si hay algo fundamental escondido en ese patrón, pero sabemos que tiene algo que ver con el bosón de Higgs. Realmente me encantaría saber por qué las masas de las partículas tienen ese patrón.

Tampoco sabemos por qué queda materia en el universo después del big bang. En principio, en el big bang se produce materia y antimateria. En algún momento, se juntan, se aniquilan y obtenemos energía. Eso no es lo que pasó [porque observamos materia en el universo]. Entonces, existen todas estas preguntas realmente importantes y, en algún momento, necesitamos respuestas para ellas.

El LHC pronto se cerrará para realizar la actualización de alta luminosidad. ¿Puedes decirnos qué se hará?

En verano, el 29 de junio a las 6 de la mañana, apagaremos el LHC durante cuatro años. Estamos reemplazando aproximadamente 1,2 kilómetros del anillo de 27 kilómetros con esta tecnología muy avanzada. Cuando las partículas giran alrededor [del colisionador], las doblamos unas hacia otras. Si haces que los grupos de protones sean cada vez más pequeños, obtendrás muchas, muchas más colisiones. Concentras todo en el mismo lugar. Eso es lo que están haciendo estos imanes de campo súper alto.

Tenemos este increíble cable superconductor que alimenta estos imanes. Instalar esto es una tarea enorme. Es, con diferencia, lo más importante que ha hecho el CERN en los últimos 20 años y, al mismo tiempo, las grandes colaboraciones experimentales, ATLAS y Compact Muon Solenoid, que a veces llamamos detectores de propósito general, están actualizando sus detectores gigantes. Estos son, nuevamente, los proyectos más importantes que han realizado los experimentos desde que se construyeron los propios detectores.

El LHC de alta luminosidad producirá una enorme cantidad de bosones de Higgs, lo cual es necesario para medir, por primera vez, propiedades clave como la forma en que interactúa consigo mismo.

Los físicos de partículas han comenzado ahora a mirar el futuro más allá del LHC y a pensar en construir un colisionador aún más poderoso, como el Futuro Colisionador Circular (FCC). ¿Por qué?

De vez en cuando, escribo mis 10 grandes preguntas sobre física de partículas, y la mitad de ellas tienen algo que ver con el bosón de Higgs. ¿Interactúa el bosón de Higgs con la materia oscura? Sabemos que [la materia oscura] está ahí, pero no sabemos la respuesta a esa pregunta. ¿Por qué el bosón de Higgs tiene las propiedades que tiene? ¿El bosón de Higgs está solo o hay varios bosones de Higgs?

La única manera de empezar a abordar esas cuestiones es crear lo que llamamos una fábrica de Higgs, que produzca muchos bosones de Higgs en entornos mucho más limpios, para que luego podamos observar las propiedades del bosón de Higgs. Si vemos desviaciones de las propiedades que esperamos, entonces podríamos aprender algo sobre el universo desconocido.

Por lo que sabemos hoy, hay un grupo de física interesante en lo que llamamos la escala electrodébil, que corresponde a energías que creemos que existieron aproximadamente una centésima de nanosegundo después del Big Bang. En este momento, las partículas elementales dejan de carecer de masa. El mecanismo de Higgs da su masa a los bosones W, Z y Higgs agrupados alrededor de la escala electrodébil. El quark top también tiene una masa similar. Sin embargo, todas las demás partículas fundamentales tienen masas mucho más pequeñas, lo que quizás sea más sorprendente.

El año pasado, en toda Europa, cada comunidad científica individual se reunió y se preguntó: ¿qué deberíamos hacer a continuación en el CERN? Hubo un consenso masivo de que la FCC es, con diferencia, la mejor máquina para hacer ciencia. Esto se debe a que existe una enorme brecha en la sensibilidad científica entre esta máquina en particular [y] las otras cosas que se podrían hacer. Es muy inusual, incluso en una comunidad científica específica, lograr un acuerdo tan fuerte. Por eso estamos convencidos de que es la mejor máquina para hacer la ciencia que creemos que debemos hacer para continuar nuestra exploración del universo.

¿Habrá algún día un acelerador de partículas lo suficientemente grande? ¿Es la FCC el final del camino?

Una de las ventajas de algo como el FCC es que comienza siendo un colisionador de electrones y positrones, pero potencialmente dentro de 30 o 40 años, nuestros sucesores podrían decir que lo que necesitamos ahora es un colisionador de hadrones como el LHC, pero uno más grande. Entonces tendríamos el túnel. Por lo tanto, allana el camino para realizar la siguiente fase de nuestra exploración.

Ahora estamos muy centrados en FCC; eso es lo que vamos a vender a nuestros estados miembros, pero marca el camino, potencialmente a muy, muy largo plazo. Le permitiría explorar [la física a escala energética] hasta 100 veces más de lo que estamos viendo ahora. Entonces, realmente estamos explorando toda esta escala electrodébil, Higgs [y los bosones W y Z]. Si no ves nada allí, entonces creo que empiezas a hacerte esa pregunta [de si necesitamos un colisionador más grande], pero estamos explorando el lugar donde creemos que es el lugar correcto para ver algo completamente nuevo. Soy bastante optimista en cuanto a que en algún momento de los próximos 10 años vamos a romper con el modelo estándar que tenemos. Vamos a encontrar una grieta en su armadura. Puede que no esté donde esperamos que esté, pero lo que estamos haciendo con todos nuestros grandes proyectos de problemas científicos es buscar en el lugar correcto, o buscar en los lugares correctos. Le estamos haciendo al universo las preguntas correctas.

Es un proyecto muy caro: £13 mil millones. ¿Es realmente el mejor uso del dinero?

En cualquier ecosistema científico, tendrás una variedad de experimentos. Vas a hacer algunas cosas pequeñas en un extremo, pero tienes que hacer apuestas realmente grandes y hacer ciencia realmente ambiciosa. La FCC es la que está al final. No creo que esté impidiendo que se realicen otras ciencias. La investigación médica, por ejemplo, continuará independientemente de la FCC.

Estamos viendo desafíos económicos en toda Europa. Desde la perspectiva de la FCC, no estamos pidiendo dinero ahora. En realidad, estaríamos invirtiendo el dinero a principios de la década de 2030, por lo que no sabemos cómo será la economía en ese momento, pero creo que es nuestro deber como CERN no sólo presentar argumentos científicos, sino presentar argumentos económicos más amplios. Ese caso está ahí.

A veces las tecnologías que desarrollamos aquí en el CERN, o en la gran ciencia, cambian el mundo, pero lo cambian dentro de 20 años. Si no hizo la inversión desde el principio, hay cosas con las que simplemente no terminará. La World Wide Web se desarrolló a 500 metros de donde nos encontramos ahora, en una pequeña oficina dentro del CERN, como una forma de compartir datos entre físicos. Eso realmente ha cambiado la forma en que funciona el mundo. Las tecnologías de aceleradores que desarrollamos no sólo son útiles para cosas como la terapia avanzada contra el cáncer, que utiliza aceleradores de protones, por ejemplo, sino que también se utilizan en otros campos de la ciencia. Entonces, los beneficios económicos son enormes, pero a veces son de muy largo plazo.

CERN y Mont Blanc, materia oscura y congelada: Suiza y Francia

Prepárese para dejarse sorprender por el CERN, el centro europeo de física de partículas, donde los investigadores operan el famoso Gran Colisionador de Hadrones, ubicado cerca de la encantadora ciudad suiza de Ginebra, a orillas del lago.

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