El CERN apaga el LHC durante cuatro años para convertirlo en una máquina diez veces más potente en datos

El Gran Colisionador de Hadrones inicia una parada técnica de larga duración para acometer la mayor modernización desde su puesta en servicio. La actualización permitirá transformar el acelerador en el High-Luminosity LHC, una instalación diseñada para multiplicar las colisiones, producir muchos más datos y estudiar con mayor precisión el bosón de Higgs, la materia oscura y otros fenómenos que aún quedan fuera del Modelo Estándar.

El CERN ha desconectado hoy el Gran Colisionador de Hadrones, LHC por sus siglas en inglés, para iniciar una parada técnica de cuatro años que transformará el mayor acelerador de partículas del mundo en una instalación de nueva generación. El objetivo es que el anillo vuelva a operar en 2030 como High-Luminosity LHC, o HL-LHC, una versión modernizada capaz de producir un volumen de datos muy superior y de aumentar de forma decisiva la probabilidad de observar procesos físicos extremadamente raros.

La parada, conocida como Long Shutdown 3, marca el final de la tercera etapa de explotación del LHC y abre una de las operaciones de ingeniería científica más complejas actualmente en marcha en Europa. Aunque las últimas colisiones destinadas a física se registraron ya a mediados de junio, el acelerador mantuvo haces durante dos semanas adicionales para pruebas de alta intensidad antes del apagado completo. A partir de ahora, el túnel y sus grandes detectores entran en una fase de desmontaje, instalación, conexión, pruebas criogénicas, verificación eléctrica, integración de sistemas y puesta en marcha que se prolongará hasta el arranque previsto del HL-LHC en junio de 2030.

El LHC es una infraestructura singular incluso dentro de la gran ingeniería científica. Consiste en un anillo de 26,7 kilómetros situado a unos 100 metros de profundidad bajo la frontera franco-suiza, cerca de Ginebra. En su interior circulan dos haces de protones o iones pesados en sentidos opuestos, guiados por miles de imanes superconductores y acelerados hasta energías de colisión de 13,6 teraelectronvoltios. Para funcionar, buena parte del sistema magnético debe mantenerse a 1,9 kelvin, unos 271 grados bajo cero, una temperatura inferior a la del espacio exterior, mediante una de las mayores instalaciones criogénicas del mundo.

Imanes para aumentar la densidad de protones

La máquina emplea 1.232 imanes dipolares principales, encargados de curvar la trayectoria de los haces, y 392 cuadrupolos, destinados a enfocarlos. Antes de cada colisión, otros imanes comprimen los paquetes de partículas para aumentar la densidad de protones en los puntos de interacción. Esa precisión es lo que permite que haces microscópicos, lanzados casi a la velocidad de la luz y separados por tuberías de vacío ultraalto, choquen en cuatro grandes detectores situados alrededor del anillo: ATLAS, CMS, ALICE y LHCb.

El LHC se puso en marcha por primera vez en septiembre de 2008 y comenzó a producir colisiones de alta energía en 2010. Su mayor logro científico llegó en 2012, cuando los experimentos ATLAS y CMS anunciaron el descubrimiento del bosón de Higgs, la partícula asociada al mecanismo que explica cómo las partículas elementales adquieren masa. Aquel hallazgo completó una pieza esencial del Modelo Estándar de la física de partículas y dio lugar al Premio Nobel de Física de 2013 para François Englert y Peter Higgs.

Bosón de Higgs y más de 85 hadrones

Desde entonces, el acelerador ha seguido ampliando el conocimiento de la física fundamental. Según el balance del CERN, el LHC ha entregado decenas de millones de billones de colisiones protón-protón a ATLAS y CMS, ha producido cientos de miles de millones de colisiones con iones pesados y ha permitido miles de publicaciones científicas revisadas por pares. Además del Higgs, sus experimentos han descubierto más de 85 hadrones, han refinado el estudio del plasma de quarks y gluones, han mejorado la comprensión de la asimetría entre materia y antimateria y han acotado numerosos escenarios de nueva física.

La modernización no persigue aumentar de forma sustancial la energía máxima de colisión, sino la luminosidad. En física de aceleradores, la luminosidad mide la tasa potencial de colisiones. Cuanto mayor es, más datos pueden recoger los detectores y mayor es la probabilidad de observar sucesos muy infrecuentes. El salto al HL-LHC busca multiplicar por diez la luminosidad integrada respecto al diseño original del LHC. En términos prácticos, eso significa pasar de una máquina que ya ha producido alrededor de 55 millones de bosones de Higgs a otra capaz de generar del orden de 380 millones durante su vida útil.

Para lograrlo, CERN sustituirá aproximadamente 1,2 kilómetros del acelerador por componentes completamente nuevos. La intervención se concentrará sobre todo en las zonas próximas a ATLAS y CMS, donde se instalarán nuevos imanes superconductores de enfoque final, más potentes y fabricados con tecnología de niobio-estaño, capaces de concentrar los haces con mucha mayor precisión antes de la colisión. También se introducirán cavidades superconductoras conocidas como crab cavities, diseñadas para inclinar los paquetes de protones y maximizar el solapamiento entre ambos haces en el punto de interacción.

Nuevas infraestructuras subterráneas

La actualización incluye además nuevos sistemas de colimación para proteger la máquina de partículas desviadas, líneas superconductoras de alta corriente para transportar electricidad con pérdidas mínimas desde galerías técnicas nuevas hasta los imanes del túnel, convertidores de potencia de alta precisión, mejoras criogénicas, sistemas de protección reforzados y nuevas infraestructuras subterráneas y de superficie. En los puntos 1 y 5 del LHC, correspondientes a ATLAS y CMS, CERN ha construido pozos de unos 80 metros, galerías de servicio de unos 300 metros, túneles de conexión y edificios técnicos para alojar refrigeración, ventilación, potencia eléctrica y sistemas auxiliares.

El desafío no es solo del acelerador. ATLAS y CMS deberán adaptarse a un entorno de colisiones mucho más denso. En la fase HL-LHC se espera que cada cruce de paquetes produzca entre 140 y 200 colisiones simultáneas, frente a unas 60 en el funcionamiento actual. Eso obliga a sustituir una parte significativa de la electrónica, los sistemas de disparo y adquisición de datos, y especialmente los detectores internos de trazas, que tendrán que identificar partículas con mayor resolución, en condiciones de radiación más severas y con volúmenes de información muy superiores.

La finalidad científica de esta modernización es doble. Por un lado, permitirá estudiar con mucha más precisión partículas ya conocidas, especialmente el bosón de Higgs, cuya interacción consigo mismo y con otras partículas puede ofrecer pistas sobre la estabilidad del universo y sobre posibles extensiones del Modelo Estándar. Por otro, aumentará la capacidad de detectar fenómenos raros que podrían estar vinculados a materia oscura, nuevas partículas, dimensiones adicionales o desviaciones sutiles respecto a las predicciones actuales.

Transición a una nueva década

La parada del LHC no supone, por tanto, un parón de la investigación, sino una transición hacia una etapa más exigente. Durante los próximos cuatro años, los datos ya acumulados seguirán analizándose, mientras ingenieros, físicos, técnicos e industria especializada completan una transformación que combina criogenia, superconductividad, radiofrecuencia, vacío ultraalto, electrónica resistente a radiación, obra subterránea, computación masiva y control de haces.

El HL-LHC será, en la práctica, una nueva máquina construida sobre la infraestructura del colisionador existente. La apuesta del CERN consiste en exprimir durante al menos otra década el potencial del mayor instrumento científico europeo antes de la eventual llegada de un futuro acelerador circular de mayor tamaño. Con el apagado de este lunes, el LHC deja de producir haces para convertirse durante cuatro años en una obra de ingeniería de frontera. Si el calendario se cumple, en 2030 regresará con una capacidad muy superior para explorar las preguntas que el propio LHC ayudó a formular.