4 maneras en que los ingenieros intentan romper la física: cómo son los supercolisionadores que buscan revelar los secretos del universo

A 100 metros bajo tierra, en la frontera entre Francia y Suiza, los protones viajan a velocidades cercanas a la luz dentro de un túnel de 27 kilómetros de circunferencia. Allí se encuentra el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el experimento científico más grande y complejo jamás construido. En 2012, el LHC logró uno de los hitos más importantes de la física moderna: el descubrimiento del bosón de Higgs, confirmando una teoría formulada medio siglo antes sobre el origen de la masa.

Desde entonces, explica en un informe especial la prestigiosa revista de ingeniería IEEE Spectrum, el LHC se centró en entender cómo encaja el Higgs dentro del Modelo Estándar, la teoría que describe todas las partículas y fuerzas conocidas del universo, excepto la gravedad. Este modelo demostró ser preciso, pero incompleto. No explica la materia oscura, el componente invisible que constituye aproximadamente el 85% de la materia del universo. Tampoco da cuenta de la energía oscura, ni de la masa de los neutrinos, ni de la asimetría entre materia y antimateria.

La comunidad científica está ante un dilema: el Modelo Estándar funciona, pero deja fuera fenómenos fundamentales del cosmos. Resolver esos vacíos requiere explorar. “El Modelo Estándar es hermoso porque es tan preciso que todas las pequeñas discrepancias resaltan. No sabemos exactamente qué vamos a encontrar. Pero está bien, porque eso es la ciencia”, afirmó en diálogo con la publicación Victoria Martin, física experimental de la Universidad de Edimburgo.

Con el LHC acercándose a sus límites teóricos, la física de partículas se prepara para una nueva generación de colisionadores. Cuatro proyectos internacionales, en Europa, China, Japón y Estados Unidos, proponen distintas estrategias para avanzar más allá del Modelo Estándar y, quizás, descubrir materia oscura, nuevas fuerzas o partículas desconocidas.

1. Future Circular Collider (FCC-ee / FCC-hh) – CERN, Europa: el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) planea construir un nuevo anillo subterráneo de 91 kilómetros llamado FCC, que sustituiría progresivamente al LHC. En su primera fase (FCC-ee), colisionaría electrones y positrones, partículas elementales más limpias que los protones, permitiendo estudiar con alta precisión el bosón de Higgs y otras partículas como el Z y el top. Tras unos 10 años de operación, el acelerador sería reconvertido en el FCC-hh, capaz de colisionar protones a 100.000 GeV, una energía casi 10 veces superior a la del LHC actual.

2. Circular Electron Positron Collider (CEPC / SPPC) – China: China desarrolla un proyecto casi gemelo al europeo, el CEPC, un colisionador circular de 100 kilómetros, que también comenzaría con electrones y positrones durante sus primeros 18 años. Luego sería transformado en el Super Proton-Proton Collider (SPPC). A diferencia del CERN, China podría iniciar la construcción en solo dos años, con sitios candidatos ya definidos y fuerte respaldo político. La revista destaca que este proyecto es una pieza clave en la estrategia nacional china de liderazgo en ciencia básica.

3. International Linear Collider (ILC) – Japón: Japón propone una opción distinta, un colisionador lineal, no circular. El ILC, con sede proyectada en la prefectura de Iwate, usaría túneles rectos para colisionar electrones y positrones, evitando las pérdidas energéticas asociadas a los giros. Su diseño está técnicamente listo, pero el proyecto permanece congelado por falta de aprobación política y dudas sobre su coste.

4. Colisionador de muones – Estados Unidos: una de las ideas más arriesgadas y ambiciosas es el colisionador de muones, propuesto por físicos estadounidenses. Los muones, primos pesados del electrón, nunca fueron utilizados en colisiones a gran escala. Su potencial es enorme: ofrecerían la precisión de los electrones con la energía de los protones. Pero su vida media de solo 2,2 microsegundos impone desafíos tecnológicos extremos. En 2023, una comisión científica recomendó avanzar con un prototipo en Fermilab, pero el proyecto sigue en fase conceptual y depende de decisiones del Congreso de EEUU.

Construir colisionadores más potentes no es solo cuestión de escalar tamaño o presupuesto. Requiere superar barreras físicas y materiales que aún están en desarrollo. Desde aceleradores superconductores hasta imanes de alta intensidad y sistemas de enfriamiento de partículas, según IEEE Spectrum cada componente es un reto de ingeniería de frontera.

• Cavidades sin costuras para mayor precisión: para acelerar partículas, se usan cavidades de radiofrecuencia superconductoras (SRF). Tradicionalmente, estas se soldaban, pero las soldaduras introducen imperfecciones que desestabilizan el haz. Tanto FCC-ee como CEPC experimentan con técnicas como el hidroformado, un proceso industrial que permite moldear cavidades perfectas sin juntas, similares a las usadas en autos deportivos. Una superficie impecable permite una aceleración más precisa y estable.
• Imanes superconductores de nueva generación: los imanes son clave para guiar las partículas en trayectorias curvas. El LHC ya utiliza campos de más de 8 teslas, generados con aleaciones de niobio-titanio. Pero para los colisionadores de protones del futuro (FCC-hh y SPPC), se necesitarán imanes de al menos 16 a 20 teslas. Esto implica explorar materiales más avanzados como el niobio-tres-estaño (Nb₃Sn), superconductores de alta temperatura basados en óxidos de cobre, o incluso materiales basados en hierro, que China impulsa por su bajo costo y facilidad de fabricación.
• Frenado energético y radiación intensa: en colisionadores circulares, las partículas pierden energía al girar, un fenómeno conocido como radiación sincrotrón. Esta pérdida es especialmente intensa en partículas ligeras como electrones, y aumenta con la energía. Para mitigarla, se diseñan túneles enormes, de hasta 100 km, y se instalan cavidades SRF a lo largo del anillo para reinyectar energía. Además, se utilizan tramos rectos de 1,5 km para reducir la radiación en zonas sensibles.
• Klystrones más eficientes: los klystrones, que alimentan las cavidades con energía, están siendo rediseñados para alcanzar eficiencias del 80%, frente al 65% actual. Según Jie Gao, del Instituto de Física de Altas Energías de China, esto podría ahorrar 1 teravatio-hora en una década, lo suficiente para alimentar toda China durante una hora.
• Diseño de túneles y sostenibilidad: el diseño del túnel también es crítico. El FCC-ee, por ejemplo, debe excavar en roca molasa y evitar karsts de agua en la piedra caliza. Mientras tanto, en el CEPC, se priorizan zonas con roca sólida y baja actividad sísmica. Ambos proyectos también planean reaprovechar el calor generado en las colisiones para calefacción urbana, como ya ocurre en la comuna de Ferney-Voltaire, cerca del LHC.

A pesar del entusiasmo científico y los avances tecnológicos, la revista asegura que el destino de los nuevos colisionadores no se decidirá únicamente en laboratorios. Factores como la financiación pública, la cooperación internacional y las tensiones geopolíticas son determinantes. Y cada región enfrenta desafíos únicos.

El proyecto chino tiene una ventaja clara: tiempo y dinero. China está invirtiendo masivamente en ciencia básica, y el colisionador forma parte de su estrategia para liderar la investigación de frontera. Si es aprobado en el próximo plan quinquenal, la construcción podría comenzar en solo dos años, con opciones viables ya identificadas en ciudades como Qinhuangdao y Huzhou.

En contraste, el proyecto europeo debe esperar. CERN ya tiene en curso una gran actualización del LHC (conocida como el High Luminosity LHC) que absorberá buena parte del presupuesto europeo hasta casi 2040. Además, hay presiones internas: Alemania expresó reservas por el alto coste, y la guerra en Ucrania complicó la colaboración con científicos rusos.

Aunque el ILC japonés está técnicamente listo, el proyecto lleva años estancado. Las autoridades japonesas aún no comprometieron los fondos necesarios, y su viabilidad política parece cada vez más remota. Mientras tanto, otros países avanzan con proyectos más ambiciosos.

El colisionador norteamericano de muones, aunque emocionante, está en fase conceptual. En 2023 recibió el apoyo de un panel científico, pero dependerá del respaldo político de un Congreso altamente dividido. A esto se suman tensiones con China tras la guerra comercial y la rivalidad tecnológica. La cooperación científica internacional se vuelve más difícil en este contexto.

Cada nuevo colisionador es, en esencia, una apuesta por descubrir lo inesperado. Si bien su diseño responde a objetivos científicos concretos, los físicos reconocen que las mayores revoluciones suelen surgir cuando se explora territorio desconocido. Y eso es precisamente lo que ofrecen los supercolisionadores: una oportunidad única para ir más allá del Modelo Estándar.

1. Estudiar el bosón de Higgs con precisión sin precedentes: tanto el FCC-ee como el CEPC están diseñados para producir millones de bosones de Higgs en colisiones limpias entre electrones y positrones. Esto permitirá analizar propiedades fundamentales del Higgs, como su acoplamiento con otras partículas, con un nivel de detalle nunca antes logrado. Incluso podrían observarse fenómenos raros como la autointeracción del Higgs, donde el bosón colisiona consigo mismo, una posible clave para entender el origen de la masa.

2. Buscar materia oscura y nuevas partículas: los modelos actuales sugieren que la materia oscura estaría compuesta por partículas que aún no fueron detectadas. Si existen, podrían producirse en colisionadores de alta energía como el FCC-hh o el SPPC, versiones futuras basadas en protones. Estos aceleradores abrirían acceso a un dominio energético completamente nuevo.

3. Detectar violaciones de simetría o nuevas fuerzas: otro objetivo es investigar posibles violaciones del Modelo Estándar, como desviaciones en las interacciones de partículas conocidas, o señales de nuevas fuerzas fundamentales. Las colisiones ultra limpias entre electrones y positrones son ideales para detectar estos pequeños desajustes.

4. Explorar el potencial de los muones: el colisionador de muones promete combinar lo mejor de dos mundos: la energía de los protones y la precisión de los electrones. Podría revelar fenómenos que ningún otro acelerador puede detectar, siempre que se resuelvan sus complejos desafíos técnicos.

Para muchos científicos, estas máquinas son comparables al telescopio James Webb en su potencial para transformar la visión del universo, pero a una escala subatómica. Como señaló Michael Benedikt, director del proyecto FCC: “El FCC-ee puede generar en minutos todos los datos acumulados en una década del LEP”.

Aunque los planos están trazados y la tecnología avanza, IEEE Spectrum apunta que el futuro de los supercolisionadores se juega en mesas de negociación, no en laboratorios. “Ningún país podrá avanzar solo: estas infraestructuras requieren décadas de trabajo conjunto, inversiones multimillonarias y una comunidad científica verdaderamente global”, advierte Dan Garisto en su investigación.

Tanto el FCC como el CEPC están concebidos como iniciativas abiertas a la colaboración mundial. En el caso de CERN, las decisiones sobre el FCC-ee se tomarán entre 2030 y 2040, cuando finalice la actualización del LHC. China, por su parte, planea incluir el CEPC en su próximo plan quinquenal, con posibilidad de iniciar obras en 2027. Ambos proyectos dependen de que los gobiernos prioricen la ciencia básica frente a otras urgencias.

En 2012, el hallazgo del bosón de Higgs marcó una victoria histórica para la física. Pero también reveló lo mucho que aún se ignora. Desde entonces, el LHC fue una puerta entreabierta hacia un universo más complejo de lo que el Modelo Estándar puede explicar. Ahora, con nuevos colisionadores en diseño o planificación, la humanidad se enfrenta a una nueva frontera: ¿seguiremos explorando, sin saber qué podemos encontrar?

Más que máquinas, estos aceleradores son apuestas por el conocimiento, la cooperación internacional y la permanencia de la ciencia como proyecto colectivo. En un mundo dividido por fronteras y tensiones, los supercolisionadores podrían ser una de las pocas infraestructuras construidas no para defender intereses nacionales, sino para responder una pregunta común: ¿De qué está hecho el universo?