El LHC siempre anda con problemas y las reparaciones son eternas

¡Houston, tenemos un problema! Este parece ser el himno oficial del mediático LHC visto el estrepitoso fracaso que supuso su avería el día después de ponerse en marcha. Personalmente, tengo la desagradable sensación de que el LHC no va a despegar nunca. Su diseño es tan extremadamente complejo que las probabilidades de sufrir nuevas averías no le van a permitir funcionar como se espera. Cualquier fallo puede tardar años en solventarse y así resulta fácil pensar que el arranque definitivo del colisionador se retrasará eternamente. Ojalá me equivoque. El problema es la descomunal escala del proyecto. El LHC necesitó algo más de 20 años para ser diseñado y construido, y tuvo un coste de alrededor de 6 mil millones de dólares. Algún día, los físicos de partículas querrán actualizar el LHC a un modelo mayor, mejor y más caro. De hecho, ya están trabajando en su sucesor conocido como el Colisionador Lineal Internacional. Si el estamento público impide el pago del precio, los físicos pueden despedirse de sus sueños de descubrir las leyes de la naturaleza haciendo impactar partículas entre sí a altas energías. Dado el actual caos económico, el ILC puede que nunca se construya y el LHC nunca se repare.

Aunque tal vez no sea necesario. En laboratorios de todo el mundo, se está esbozando el dibujo de un diseño completamente nuevo de acelerador que podría revolucionar la economía de la física de partículas. Se acabaron los túneles de muchos kilómetros de longitud. Lo que ahora se plantea son compactas construcciones de una fracción de ese tamaño. Al menos estos nuevos aceleradores de partículas prometen un futuro mejor que el propio LHC, con unos costes mucho más contenidos y una complejidad reducida que les permitirá enfrentarse al reto de desvelar los misterios de la física con muchas más garantías de éxito.

Hoy día se necesitan 27 kms de túnel para construir un acelerador eficaz

¿Por qué los aceleradores de partículas necesitan ser tan grandes? Para crear las partículas exóticas y extremadamente masivas que nos dirán más sobre cómo funciona el universo, se necesitan partículas más familiares y menos masivas que tienen que ser colisionadas a enormes energías. Altas energías significan altas velocidades, sólo una fracción por debajo de la velocidad de la luz – y esto significa empujar a las partículas durante un largo preliminar. Las máquinas como el LHC usan campos eléctricos para acelerar protones, electrones y otras partículas cargadas. Cuanto más potente es el campo, mayor es la aceleración. Pero para hacer un colisionador de partículas más rápido no sólo es necesario aumentar el campo eléctrico. Una aceleración eficiente sólo puede tener lugar en el vacío: de otra forma, el rayo de partículas impacta con átomos perdidos y pierde energía. Si el campo eléctrico es demasiado fuerte, empieza a arrancar electrones del material de los muros que contienen el vacío. Esto provoca que vuelen chispas, cortocircuitando el acelerador y haciéndolo inútil.

Los físicos del acelerador deben, por tanto, hacer una aproximación muy cuidadosa, usando campos eléctricos más pequeños para llevar a las partículas a mayores energías a lo largo de grandes distancias. Ésto, junto con las limitaciones de los imanes que se usan para doblar los rayos de partículas, es la verdadera razón por la que los protones necesitan al menos 17 millones de vueltas completas al LHC – un viaje de aproximadamente 450 millones de kilómetros – para acelerar a una energía entre 450 GeV y 7000 GeV. Resuelve el problema de colapso del material y estarás en camino de construir un acelerador que puede hacer lo mismo que el LHC, pero a unas distancias mucho menores.

Cuando un pulso láser pasa a través de un plasma, expulsa fuera de su camino a los electrones formando una onda de densidad tras de sí que aplica una potente fuerza de aceleración en una corta distancia

Primeros en tener la idea. En 1979, John Dawson de la Universidad de California en Los Ángeles y Toshiki Tajima de la Universidad de Texas en Austin tenían una propuesta seria para hacer esto (Physical Review Letters, vol 43, p 267). En lugar de tratar de esquivar el desconcertante fenómeno del colapso del material, se propusieron explotarlo. Un plan tan audaz demandaba un material realmente extraordinario, y ambos tenían el mismo en mente: una exótica forma de aire fino conocida como plasma. Al contrario que el aire, que está hecho en su mayor parte de átomos neutros y moléculas, un plasma consiste en iones positivos inmersos en un mar de electrones arrancados de ellos. Dawson y Tajima idearon el envío de un pulso intenso de luz láser a través de este plasma. El campo eléctrico de la luz pasaría a través del mar de electrones ligeros, empujándolos lejos de su camino mientras deja a los iones positivos más pesados relativamente inmóviles. Esto crearía un área de baja densidad electrónica justo donde el pulso pasa. Los electrones desplazados rápidamente volverían hacia los iones positivos a la estela del pulso, atraídos por la carga opuesta. Se agruparía brevemente tras el pulso antes de llegar más lejos y crear otra área de menor densidad. Mientras tanto, el pulso estaría limpiando electrones de la siguiente región y repitiendo el proceso.

El resultado es un patrón ondulatorio de variación de densidades electrónicas a lo largo del camino de la luz. “Es como una lancha a motor en un lago creando una onda en el agua por debajo de ella”, dice Wim Leemans, físico que lidera el desarrollo de aceleradores basados en plasma en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California. Y así como surfistas en una ola del mar, los electrones que están justo en la posición adecuada de la cresta de la ola de densidad pueden bajarla – logrando una enorme cantidad de energía cuando lo hacen.

El láser consiguió buenos resultados en distancias cortas pero aún insuficientes

La gran ventaja de este esquema es que los enormes campos eléctricos de aceleración creados por los electrones desplazados están contenidos en una diminuta burbuja de plasma detrás del pulso de luz. Al contrario que los muros de un acelerador convencional, el material de plasma ya está “roto”, con todos sus electrones arrancados de sus átomos originales. “No puedes hacerles más daño”, dice Robert Bingham, físico del Laboratorio Rutherford Appleton cerca de Oxford, Reino Unido. Por lo que dado un pulso láser con la intensidad, duración y forma adecuadas, no parece haber virtualmente límite a la aceleración que podría lograrse en una distancia corta. No se necesitó mucho tiempo para que la idea cuajase. Para mediados de la década de 1980, los físicos habían confirmado el esquema de Dawson y Tajima, creando algo de plasma y acelerando un puñado de electrones a unos miles de gigaelectronvoltios. En la década de 1990, fueron unos cuantos miles de millones de electrones, y las energías alcanzaron los 0,1 GeV a lo largo de menos de 1 milímetro - una distancia muchos miles de veces más corta de lo requerido en un acelerador convencional.

Incluso así, esto era unas 500 veces menos energía de la que podía lograrse con el acelerador de electrones más avanzado de esa época –el Gran Colisionador de Electrones-Positrones, el cual residía entonces en el túnel del LHC. Y aparte de eso, sólo algunos electrones eran acelerados a toda potencia. Dependiendo de dónde estuviesen en la onda de densidad, algunos eran menos acelerados y otros nada en absoluto. Este amplio rango de energías era inútil para los físicos que querían llevar a las partículas juntas a energías definidas con precisión.

Diseños como el Diamond Light Source son aún demasiado grandes

Mejorando a los pioneros - El avance llegó en 2004, cuando tres grupos – uno bajo el mando de Leeman y otros en Francia y Reino Unido – anunciaron de forma independiente que habían logrado crear rayos de electrones acelerados a una única energía, más menos un 1% (Nature, vol 431, p 535, p 538 y p 541). Los investigadores usaron distintos trucos para lograr esto, pero los tres equipos explotaron el fenómeno de romper las ondas. Así como una ola en el agua en calma que crece demasiado para soportarse colapsa, la onda de densidad de los electrones en el plasma puede crecer demasiado y romperse. Justo antes de que esto suceda, la onda transfiere su energía directamente a los electrones, como un tirachinas. Controlando cuidadosamente la potencia del láser y la densidad del plasma, es posible mantener una única onda detrás del pulso justo a punto de romperse. El resultado es un rayo de electrones de una energía estrechamente definida.

La nueva técnica era suficiente para propulsar electrones fiablemente a energías de más de 1 GeV – suficiente para encender el interés de investigadores de otras disciplinas. Esto se debe a que un rayo de electrones con una energía de pocos GeV, cuando es desviado por un campo magnético, irradia parte de su energía en forma de rayos-X muy energéticos. La longitud de onda de esta luz es lo bastante corta como para estudiar en detalle cómo se comportan las moléculas, átomos e incluso electrones aislados. La lista de investigadores que quieren tener sus muestras bajo estas sondas súper-submicroscópicas es interminable: todo el mundo, desde biólogos que estudian la estructura de las moléculas de la vida, a científicos de materiales e ingenieros eléctricos que buscan formas de incrustar diseños cada vez menores en chips de ordenador.

Se generan energías de 1 GeV, suficientes para muchas investigaciones de alto nivel

Desafortunadamente, las máquinas actualmente necesarias para generar estos rayos-X, aunque no tan gigantes como los colosos de la física de partículas, aún son bastante considerables. Diamond Light Source, abierto en Enero de 2007 en el Laboratorio Rutherford Appleton, es uno de los últimos ejemplos. Tuvo un coste aproximado de 400 millones de libras en su construcción y, con una circunferencia de medio kilómetro, cubre el área de varios campos de fútbol. Los aceleradores de plasma no harán que las instalaciones como Diamond queden obsoletas de la noche a la mañana, dado que no pueden igualar la intensidad y frecuencia de pulso que pueden producir las máquinas mayores. Pero cualquier laboratorio de tamaño decente sería capaz de producir su propia fuente de rayos-X de alta energía en 5 años aproximadamente, dice Victor Malka, líder del grupo en la Escuela Politécnica de Palaiseau, Francia, que estuvo implicado en el avance de 2004. A pesar de ser un avance revolucionario, un nivel tan bajo de energía no impresiona a un físico de partículas hambriento de energía. El bebé de Thomas Katsouleas, por otra parte, tal vez podría.