Ciencia

Michael Benedikt, del CERN: «Necesitamos un colisionador mayor para entender la materia oscura»

El físico dirige el «Futuro Colisionador Circular», la iniciativa europea para construir un «supercolisionador» de partículas de unos 100 kilómetros de anillo que dejaría muy atrás al LHC a partir de 2035

China ya trabaja en desarrollar un gran acelerador que supere con creces al LHC

 Michael Benedikt, del CERN: «Necesitamos un colisionador mayor para entender la materia oscura»

La física de partículas más puntera de hoy en día se gesta en un lugar fascinante: el Gran Colisionador de Partículas (LHC). Allí, en un túnel de 27 kilómetros enterrado a unos 50 o 150 metros de la superficie, los científicos aceleran y hacen chocar protones o iones en un conducto que está al vacío y controlado por un intenso campo magnético. La idea básica es que, el modo de chocar de esas partículas permite entender cómo funciona la física o de qué están hechas las cosas. En este sentido, para hacerse una idea de la potencia de este colisionador valen dos cifras: en tan solo un segundo, una partícula acelerada en el LHC puede completar 11.245 vueltas; en tan solo un segundo, el LHC puede generar 600 millones de colisiones.

Michael Benedikt será probablemente uno de los responsables de que la física de un gran paso adelante y deje atrás al LHC. Es el actual director del proyecto para el Futuro Colisionador Circular (FCC), un futuro «supercolisionador» europeo que competirá con China y que podrá forzar las fronteras de la física más allá de donde están hoy. Tal como explicó Benedikt, invitado por la Fundación BBVA en su ciclo de conferencias sobre «Los secretos de las partículas», su ambición principal será superar el modelo estándar, una teoría que funciona para casi todo, pero que no puede explicar aún qué es la materia oscura, la energía oscura o la antimateria.

-¿Por qué hace falta un colisionador de partículas más grande?

Ahora mismo el gran colisionador de hadrones (LHC) es el mayor existente. Gracias al él hemos podido descubrir el bosón de Higgs. Lo que hemos descubierto confirma experimentalmente la teoría del modelo estándar, lo que es un gran logro, fantástico, que llevó a la concesión del premio Nobel. Pero con ese modelo estándar solo podemos describir el 5% de la materia del Universo.

«Europa deberia hacer esfuerzos para prolongar su posición como líder en la física de partículas»

Aún quedan grandes interrogantes, grandes preguntas abiertas. Como por ejemplo, cuál es el origen de la materia oscura, de la energía oscura, por qué hay una antisimetría entre materia y antimateria, la unificación de todas las fuerzas incluyendo a la gravedad. Si queremos ir adelante en todas estas preguntas que quedan sin contestar, tenemos que centrar todos nuestros esfuerzos, hacer todo lo que esté a nuestro alcance. Y un camino para lograrlo es usar los aceleradores de partículas de alta energía, y construir un acelerador mayor.

Hemos constatado en la evolución de los aceleradores de partículas que siempre ha habido hallazgos asociados a esto en el campo de la física de partículas: por ejemplo algunos de los quarks, los gluones, los bosones W y Z, y el bosón de Higgs finalmente. En el pasado los aceleradores han llevado adelante el conocimiento en el campo de la física fundamental. Y los colisionadores del futuro serán la continuación de esta investigación, de este esfuerzo.

-Entonces, ¿cuánto tiempo de vida cree que le queda al modelo estándar?

El modelo estándar está completo y es nuestra teoría científica mejor entendida en este momento. Cuánto durará es puramente especulativo. No voy a contestar esta pregunta (ríe). No lo sé. Es una teoría completa que ha sido probada de forma experimental hasta el nivel de precisión que podemos lograr hoy con nuestras máquinas.

-¿Al menos le gustaría ver cómo cambia o evoluciona esa teoría?

Mi deseo no es que cambie o no, mi deseo es que construyamos una gran instalación de investigación para encontrar y entender mejor un rastro del 95 por ciento de la física que no comprendemos en el Universo (sonríe). Seguro que esto cambia nuestras teorías en el futuro.

-Una de las ventajas de construir un colisionador de partículas mayor es que puede producir colisiones de más alta energía para tratar de descubrir partículas que no se pueden producir en otros lugares. ¿Podría explicarle a una persona de la calle por qué?

(Suspira) El principio básico fue descubierto por Albert Einstein hace unos 100 años. Y es que la masa y la energía son equivalentes. De alguna forma puedes sentirlo en tu vida cotidiana: si coges un trozo de madera y lo quemas, se transforma en energía termal. En nuestro caso, si tenemos una elevada densidad de energía, es una cantidad pequeña pero está en un volumen muy, muy pequeño, la energía se puede transformar en una masa, en nuestro caso en una partícula elemental.

«Con aceleradores de partículas puedes tratar tumores cercanos a órganos críticos»

Y por supuesto, cuanta más energía podamos producir, más masa tendrá. Cuanta más madera quemes, más caliente estará la habitación. Y si vamos un poco más allá, en el mismo comienzo del Universo todo estaba en un pequeño volumen tras el Big Bang, así que todo estaba muy caliente y era muy denso, todo estaba muy junto, y cuando se expandió, se enfrió. Y si con nuestros aceleradores de partículas podemos crear altas densidades energéticas, podemos llegar las mismas condiciones del Universo temprano. Generaremos las mismas partículas, las mismas masas... Este es el principio.

-Pero, lo que nos falta por entender está relacionado con partículas más pequeñas, ¿por qué hay que aumentar la masa y por tanto la energía de los aceleradores?

No necesitamos necesariamente masas mayores. No podemos explicar la naturaleza de algunos efectos que observamos, como la materia oscura, no tenemos ni idea de qué aspecto tiene, de qué partícula o de qué fenómeno está causando o es la materia oscura. Hay diferentes teorías que tratan de explicar esto, pero son todo teorías, todo sobre el papel. Normalmente están asociadas con partículas pesadas que no podemos ver ni podemos producir porque no tenemos los medios para hacerlo. Pero, por supuesto, con aceleradores de mayor energía, podemos intentarlo y en principio producir estas partículas, si es que existen. Esta es la razón para construir el FCC.

-¿Qué posibles aplicaciones o implicaciones tendría el descubrimiento de la materia oscura?

Como aún no la hemos descubierto no podemos especular cómo usarla. Pero lo que puedo decir es que construir en el futuro un acelerador así no depende simplemente de usar la tecnología actual, ponerlo todo junto y simplemente construir un acelerador más grande. Lo que necesitamos es desarrollar nuevas tecnologías, construir un acelerador más potente, mejor, con mayor eficiencia energética. Y creo que las nuevas tecnologías acabarán encontrando su camino hasta poder ser usadas en el día a día. En medicina, en informática, en muchas, muchas áreas. Hay un vínculo directo.

ERNESTO AGUDO

Normalmente el desarrollo de un acelerador para investigación trae inmediatamente avances en un segundo paso para uso industrial, a gran escala. En el LHC hemos visto avances en detectores (para captar las partículas en las colisiones) que tienen una aplicación directa en la industria.

-De hecho, usted trabajó en aceleradores de patículas con fines médicos, ¿no es así?

Así es. Estos aceleradores aceleran protones e iones para tratar el cáncer. Con ese tipo de partículas puedes tratar tumores que están muy cerca de órganos críticos o nervios esenciales sin dañarlos, porque nos permite irradiar con una precisión de un milímetro.

Esto sirve para curar o tratar indicaciones que a veces no se pueden operar o en las que no se puede usar una terapia clásica de radioterapia porque habría graves consecuencias. Para lograr esto se necesita una gran instalación: un acelerador de 80 metros de circunferencia, provisto de tecnologías específicas y sofisticadas: es un ejemplo clásico de transferencia de tecnología desde una máquina desarrollada para investigar, a un campo práctico tan importante campo de la medicina del cáncer.

-En este sentido, ¿siente que el público logra entender la importancia de la tarea del CERN?

Solo puedo hablar de mis experiencias personales. He notado que allá donde voy a una charla y conoces gente, noto una respuesta muy positiva, unida muchas veces a un conocimiento muy alto de cosas como el bosón de Higgs o el propio LHC. Me llama la atención, porque creo que es un nivel de conocimiento muy alto para una materia que está en el límite de la ciencia y que es muy difícil.

-Aquí hay una pregunta clásica que se suele hacer, ¿por qué merece la pena invertir enormes cantidades de dinero en colisionadores en vez de solucionar problemas tan apremiantes como la pobreza?

Es una pregunta clásica, con muchas respuestas clásicas. Creo que forma parte de la naturaleza humana darle importancia a la cultura, y la ciencia no es más que una forma de cultura. El desarrollo de la cultura es lo que nos ha llevado adonde estamos hoy. Aquí lo único que hacemos es continuar esto en la vanguardia de la ciencia en este campo. Y con un presupuesto limitado, si lo comparas con números de la economía global. El CERN solo es una universidad europea de tamaño medio. Ahora tienes que pensar en cuántas universidades de tamaño medio hay en Europa.

Esto no quiere decir evidentemente que solo tengamos que centrarnos en la ciencia y no hacer caso de la pobreza, por supuesto que no, pero creo que debemos hacer progresar nuestra cultura en el camino del desarrollo científico y académico. Es absolutamente necesario. Sería una marcha atrás si no seguimos haciendo esfuerzos para el futuro.

-¿Por qué es importante para Europa invertir en físicas de partículas?

Bien, creo que en el pasado, cuando hemos desarrollado nuevos aceleradores, conseguimos una enorme cantidad de desarrollo y de avances educativos en proyectos que luego repercutieron en la industria. El problema es que esto es difícil de cuantificar.

ERNESTO AGUDO

Pero creo que Europa tiene el liderazgo absoluto de la física de partículas con el LHC. Hoy en día en Estados Unidos hay unos 2.500 físicos de partículas, y 2.000 de ellos están en el CERN para hacer sus principales experimentos. Vienen aquí para vivir aquí, invierten aquí, generan beneficios económicos y muchas otras cosas.

Europa tiene muchas tecnologías en la que es líder, pero debe seguir haciendo esfuerzos para prolongar su posición como líder, a largo plazo.

-Creo que el LHC ha sido el proyecto científico más caro, ¿será el FCC aún más caro?

El FCC futuro es significativamente más grande que el LHC... Las instalaciones serán del orden de 3 o 4 veces mayores. Claramente, las necesidades económicas serán necesariamente grandes en términos absolutos.

-¿Y hay alguna acerca de cuánto costará?

No lo podemos saber hasta que no superemos la fase de diseño. El objetivo es hacer un informe de diseño para 2018, con el boceto, y a partir de ahí ya podremos estimarlo.

-¿Y cuándo se comenzará a construir si todo va bien?

Se escogerá entre el FCC y la solución lineal entre 2019 y 2020. Luego se iniciaría una fase técnica para mostrar si es factible, entender el impacto, las tecnologías, los costes y los plazos. Si hay una continuación, habría una fase de diseño técnico para ir a la fabricación. Entonces, el proyecto podría comenzar a construir las infraestructuras quizás en 2026. Necesitaría 10 o 20 años para estar completado.

-¿Cómo se planea a largo plazo un proyecto tan complejo como el FCC, cuando la ciencia y la tecnología avanzan casi día a día?

En primer lugar, es importante entender que el campo de la física de altas energías evoluciona muy, muy rápido. Tenemos mucha experiencia en la construcción y planificación a largo plazo de grandes estructuras. El mismo LHC, necesitó 25 años para ser construido desde el primer diseño, hasta la primera operación.

En este tipo de proyectos tienes que tener en cuenta aspectos clásicos y tecnológicos. Para materializar el proyecto hay que ir separando estas áreas. Tienes retos técnicos muy a largo plazo en los que tienes que tener en cuenta cómo evolucionan o las etapas necesarias para producirlos de forma industrial. Y problemas más clásicos, como construir el túnel donde estará el colisionador.

Por ejemplo, la tecnología clave para el FCC será la de los imanes superconductores. Necesitas una enorme cantidad de estos imanes, y para desarrollar la tecnología necesaria en la industria para producirlos puedes necesitar, vamos a decir, cinco años, a los que hay que sumar otros cinco para construirlos.

Además, en este tipo de círculos hay cosas más simples que necesitas. Cosas que se resuelven al principio del proyecto y que son problemas muy clásicos: cosas de ingeniería civil, hacer el túnel, construir edificios civiles, infraestructuras, redes de la electricidad, etc. Es un problema clásico que puedes planear. Es un objeto enorme pero puedes ir poco a poco y construirlo.

Aparte de estas cosas, hay tecnologías que realmente necesitas pero que tienen una evolución muy rápida: como la informática, el control de sistemas o el almacenamiento de datos. Son áreas para las que no tiene sentido planearlo ahora. Porque en 15 o 20 años vamos a tener un escenario totalmente distinto. Así que tienes que entender qué bloques es necesario dejara un lado por completo, y confiar en que puedas introducirlos en el proyecto en el futuro a tiempo.

Hay áreas, como los imanes, que puedes estar seguros de que necesitarás 20 años para tenerlas preparadas, puesto que podemos necesitar unos 5.000 imanes para un proyecto así. Esto es grosso modo como tienes que hacerlo. No debes perder el tiempo con cosas que van a estar obsoletas cuando estés listo. Es bastante dificíl, pero esta sociedad tiene la cultura necesaria y las enseñanzas de proyectos anteriores para saber cómo gestionar y organizar esto. Incluso en las grandes cooperaciones internacionales.

-¿Cómo se pone de acuerdo a 29 países y a miles de científicos en un proyecto así?

Integrar a 88 instituciones y a 28 nacionalidades, es un proceso natural. Puedes imaginar lo complejo que es el diseño de un acelerador, más el desarrollo de las tecnologías, más el análisis de las oportunidades físicas, más la concepción de los detectores y por último el diseño de las infraestructuras. Todas estas áreas son un gigantesco campo de trabajo que debemos cubrir, algunos en más detalle y otros en menos: por ejemplo, con los problemas informáticos menos.

Pero estos institutos normalmente tienen competencias en ciertos campos. Nuestro objetivo es darle a cada uno de esos institutos esas responsabilidades para las que están más preparados. Frecuentemente las universidades tienen departamentos que son completamente excelentes en su área. Y esto es lo que necesitamos. No es una cuestión de llegar a un consenso, para nosotros es más bien un regalo que esta gente esté interesada en este trabajo. Desde el mismo comienzo ambos obtenemos beneficios si se ajusta esto correctamente.

-Entiendo entonces que no hay una competencia, ni siquiera con países terceros como China?

Sí, hay un estudio similar en China, para hacer un acelerador de 54 kilómetros. Ambos colisionadores son muy similares pero no creo que haya una competición negativa entre ambos. Todo el mundo está tratando de optimizar sus soluciones para producir avances en física. Muchos aspectos del diseño son similares o requieren soluciones similares, por supuesto. Trabajamos juntos a nivel de conferencias y talleres, hay muchas interacciones incluso a nivel de personas.

Creo que lo más importante aquí es ver y reconocer que el hecho de que China y el proyecto FCC y quizás los colisionador lineales están todos trabajando para tratar de cubrir un área de la física. Son ligeramente diferentes, pero van en la misma dirección. Esto significa que este es un atractivo campo de conocimiento en el que debemos seguir trabajando.

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