Aceleradores de partículas de bolsillo

Los constantes avances tecnológicos comienzan a hacer posible el diseño de aceleradores de partículas de tamaños razonables y costes asumibles. No olvidemos que el mayor experimento de la humanidad, el LHC, ha resultado tan complejo que no consigue arrancar debido a las averías y problemas que lo asfixian. Con estos nuevos sistemas basados en el láser y en el plasma, la investigación sobre física profunda podrá seguir adelante sin tantas complicaciones y descubrir por fin los secretos del Universo.

¡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.

¿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.

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.

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.

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.

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.

EL SLAC, nuevo avance – Katsouleas es un ingeniero eléctrico de la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte, y parte de un equipo implicado en una serie de experimentos potencialmente innovadores en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC en Stanford, California. “La energía mínima para ver una nueva física es probablemente un rayo de 250 GeV impactando en otro de 250 GeV”, afirma. En 2007, Katsouleas y sus colegas dieron un impresionante salto adelante hacia ese objetivo, creando un nuevo récord para la mayor energía lograda usando un acelerador de plasma: 85 GeV. Según admitió, hizo un poco de trampa. Los electrones con los que empezó no estaban a la energía relativamente baja de los tranquilos electrones del propio plasma, sino a la emisión de 42 GeV de uno de los aceleradores de electrones convencionales más poderosos del mundo: el acelerador principal de 3 kilómetros de largo de SLAC. Incluso así, la duplicación de energía que logró el equipo de Katsouleas en apenas 1 metro de plasma es asombroso (Nature, vol 445, p 741).

En el experimento del equipo de SLAC, los electrones de alta energía desempeñaron el papel del pulso láser en los anteriores experimentos, creando los gradientes de densidad y acelerando los campos eléctricos en su estela. “La física es casi la misma”, dice Patric Muggli, colega de Katsouleas. Desgraciadamente, los problemas también: sólo parte de los electrones del rayo original quedan atrapados en el remolino, la mayor parte de los mismos pasan sin verse afectado, produciendo un frustrante espectro borroso de energías de electrones en el otro extremo. Idealmente, los investigadores enviarían un segundo pulso de electrones de alta energía en el plasma justo tras el primero, sincronizándolos perfectamente para que naveguen en la estela del primero. Pero dado que el acelerador SLAC sólo envía un pulso cada vez, el equipo está observando el mismo resultado dando forma al único pulso por lo que es, a todos los efectos, partido en dos. Los resultados se esperan, según dicen, en los próximos años.

Más allá de esto, el equipo de SLAC tiene planes ambiciosos, actualmente sin fondos, para colocar un segundo acelerador de plasma después del primero de forma que la salida de uno sea, de modo inmediato, acelerada por el siguiente. “Una vez has demostrado las dos etapas, has resuelto el problema”, dice Mark Hogan: si puedes unir dos aceleradores, puedes unir tres o más, continuando hasta que haya el número necesario para crear colisiones que sean físicamente interesantes. Existen otras dificultades, por supuesto. Para hacer todo lo que un acelerador actual hace, un acelerador de plasma debería ser capaz de acelerar positrones – electrones cargados positivamente. En los aceleradores convencionales, esto no es un problema demasiado grave: las corrientes de cargas opuestas simplemente fluyen en direcciones opuestas. En un acelerador de plasma, no obstante, las cosas no son tan fáciles. Cuando un rayo de positrones de alta energía entra en un plasma, no repele los electrones, sino que los atrae, lo cual es algo totalmente distinto.

“Aún no hemos resulto la física tras este problema, pero estamos trabajando en ello”, dice Katsouleas. A pesar de estas cuestiones abiertas, la tecnología de plasma no está lejos del punto en el que pudiera reemplazar a un acelerador de diseño más convencional. Más inmediatamente, experimentos tales como los del SLAC abren la posibilidad de una nueva rama de aceleradores híbridos que sean compactos y rentables para lo que pueden hacer. La primera etapa sería un acelerador convencional de una escala de un kilómetro, la segunda un equipo de ignición en miniatura para llegar la energía de los electrones a nuevas cotas.

Futuro del sistema ¿láser o electrones? – Hogan y Muggli tienen planes incluso más ambiciosos. Han ideado un acelerador lineal convencional de un par de kilómetros de largo para crear un rayo de electrones de 25 GeV de energía. Acoplados en el extremo habría 20 fases consecutivas de plasma para acelerar el rayo a 500 GeV en sólo unos pocos metros adicionales. Tal máquina requeriría de bastante trabajo serio, pero Hogan y Muggli afirman que podría estar funcionando para 2025. El componente esencial de un acelerador de plasma – un tubo de gas – es, al menos comparado con las grandes sumas de las que se suelen hablar en física, básicamente gratis. Por tal razón, dice Katsouleas, la tecnología será difícil de ignorar si los físicos de partículas quieren tener fondos para sus planes más ambiciosos. Para él, la cuestión ahora no es si llegarán los aceleradores de plasma, sino qué los impulsará: ¿los pulsos láser de los experimentos originales, o los electrones de los experimentos de SLAC?

Katsouleas cree que la respuesta es obvia. Aunque el coste por vatio de la potencia de un láser se prevé que caiga en la próxima década de alrededor de 1000 dólares a unos 70, el precio equivalente para proporcionar un rayo de electrones inicial está sólo alrededor de los 10 dólares. Con un rayo de 250 GeV que requiere unos 100 megavatios para alimentarlo, la diferencia de precio será una consideración muy a tener en cuenta. Leemans cree que este juicio es prematuro, y que los problemas aún por resolver en el desarrollo de un rayo de energía única con un acelerador de plasma alimentado por electrones podría ser un obstáculo significativo. Está buscando patrocinio para un proyecto de desarrollo de un acelerador de 10 GeV usando una fuente de luz láser incluso como primer paso para máquinas aún más potentes.

En Marzo de este año, el Departamento de Energía de los Estados Unidos tiene previsto anunciar su evaluación de ambas aproximaciones, con vistas a invertir en alguna de ellas. La decisión podría tener profundas consecuencias para el futuro de la física de partículas de alta energía. ¿Qué costará la siguiente generación de aceleradores de partículas?

EL ALICE, nuevo método – Por otro lado, un equipo de científicos del Reino Unido ha comprobado con éxito la recuperación de energía en el nuevo modelo de acelerador de partículas, abriendo potencialmente el camino para nuevos aceleradores que consuman una pequeña parte de la energía requerida por los métodos convencionales. En la prueba de este innovador diseño, el acelerador lineal superconductor ALICE aceleró electrones hasta el 99,9 % de la velocidad de la luz, creando un haz con una energía de 11 millones de electronvoltios. Ésta es la primera vez en que el haz de ALICE ha sido transportado con éxito a través del circuito completo. ALICE es manejado por el STFC en su Laboratorio de Daresbury en Cheshire. Es el primer acelerador en Europa que utiliza el proceso de recuperación de energía, el cual captura y reutiliza la energía inicial del haz después de completar cada recorrido al circuito. Al final de cada recorrido, en vez de desaprovechar el haz usado de electrones de alta energía, su energía es extraída para un uso prolongado, que acaba con valores muy bajos de energía y por tanto mucho menos peligrosos que los iniciales. La recuperación de energía se traduce en un ahorro significativo de la misma, o alternativamente, en aceleradores y fuentes de luz con intensidades y potencias sin precedentes que tienen el mismo consumo de energía que los convencionales.

Susan Smith, jefa del APG (Accelerator Physics Group) en el Laboratorio de Daresbury del STFC, reconoce sin embargo que si bien el logro alcanzado es importante, el sistema todavía no ha funcionado a pleno rendimiento. Cuando esté en servicio y operando a pleno rendimiento, el ALICE creará aceleraciones de hasta 35 millones de voltios, hará circular los electrones al 99,99 % de la velocidad de la luz y se recuperará el 99,9 % de la energía en la etapa final del acelerador, propiciando que las fuentes de energía para la aceleración sean mucho más pequeñas y baratas, y por tanto mucho más asequibles económicamente. Las partículas tendrán que desvelarnos sus secretos, quieran o no. Ya sólo es cuestión de tiempo, no tanto de dinero.