Fabiola Gianotti es la primera mujer que dirige el enorme CERN. La conocí cuando ella dirigía el grupo que estaba a punto de encontrar el bosón de Higgs. La Dra. Gianotti, al igual que muchas otras investigadoras, han renovado en treinta años el espíritu de trabajo constante y de calidad de esta Ciudad Escéptica. Durante la conversación, le pregunto en particular por el trabajo de las doctoras Isabel Béjar Alonso, líder de High Luminosity Large Hadron Collider, y de Edda Gschwendtner, quien guía el rumbo de AWAKE (Advanced WAKEfield Experiment), proyecto en la línea de fuego de la tecnología extrema, ya que se sirve de una manera novedosa de acelerar partículas. “Ambas investigaciones definirán el rumbo de la física de altas energías en las próximas décadas”, asegura.
Me encuentro en la cafetería de CERN con la doctora Gschwendtner, quien tiene a su cargo la dirección técnica de un proyecto que, como sostiene la doctora Gianotti, habrá de revolucionar el viaje al interior del átomo. El propósito de su proyecto es construir otro tipo de aceleradores de partículas subatómicas. “La forma convencional de acelerar partículas (protones contra protones) en el LHC, mediante el uso de cavidades especiales, está llegando a su límite, tanto en términos físicos como económicos”, afirma.
Un acelerador como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) lleva partículas casi a la velocidad de la luz mediante cavidades de radio frecuencia, dentro de las cuales se generan ondas electromagnéticas que cambian constantemente de polaridad. Haces de partículas cargadas se envían a través de dichas cavidades, donde reciben “empujones” debido a este cambio de polaridad de las ondas electromagnéticas. Así aumentan su velocidad y ganan energía.
Sin embargo, el LHC ya no da más, en parte porque la circunferencia de 27 kilómetros de radio, donde descansa dicho acelerador, es corta si se desea alcanzar niveles de energía superiores. La alternativa es construir un costosísimo anillo de ¡cien kilómetros de radio! O bien un kilométrico tubo rectilíneo. Pero esto parece poco viable, al menos por el momento. El grupo a cargo de la doctora Edda ha estado probando una novedosa técnica inspirada en conceptos ideados en 1979 por Toshiki Tajima y John Dawson, investigadores de UCLA.
Sabemos que la materia puede existir en cuatro estados distintos: sólido, líquido, gaseoso y plasmático. Este último se consigue llevando a muy altas temperaturas un gas ionizado, un gas con tanta energía que algunos de sus átomos pierden sus electrones, con carga negativa, los cuales quedan flotando alrededor de los núcleos, ahora con carga positiva.
Algunos intentos se habían llevado a cabo haciendo chocar electrones y positrones, ya que los protones están compuestos por tres quarks, mientras que los electrones y su antipartícula son elementales, no están constituidas por nada más pequeño, y por tanto son, en principio, más fáciles de estudiar. Sin embargo, hay un problema con los positrones. Mientras que los electrones se pueden acelerar de manera compacta y homogénea, los positrones tienden a dispersarse y se pierden en el plasma. Este es uno de los desafíos mayores que enfrentan los diversos grupos de investigación que se dedican a este campo.
En los aceleradores convencionales el empujón que permiten las cavidades es regular y, por tanto, predecible. Pero en la aceleración mediante plasma se genera un entorno que la doctora Gschwendtner llama “no lineal”. “Esto dificulta mucho nuestras predicciones matemáticas, ya que la variación no es uniforme”, aclara.
Para AWAKE esto no es un obstáculo. Su prototipo utiliza haces de protones provenientes de uno de los inyectores del LHC, el Súper Sincrotón de Protones (SPS), a manera de disparadores a fin de acelerar electrones. De hecho, es el primer experimento que consigue crear con éxito un mar de plasma, generado con vapor de rubidio a 200 oC, conducido por protones, y aumentar en forma notable la velocidad de las partículas, en este caso electrones.
Los protones son acompañados por un pulso de láser que transforma el rubidio gaseoso en plasma y esto provoca que algunos electrones salgan expulsados. Conforme el haz de protones con carga positiva se desplaza a través del plasma, obliga a los electrones a formar una onda, escenario muy parecido a las oscilaciones que va dejando una embarcación a su paso por el agua. Entonces se inyectan electrones “testigos” en determinado ángulo y a baja energía, los cuales se montan sobre dicha onda que los acelera. En el otro extremo del plasma un imán dipolo atrae estos últimos electrones y los orienta hacia el detector.
“Aprovechando la ola de plasma hemos conseguido hacerlos surfear y acelerarlos mucho más que el LHC, en términos proporcionales, desde luego, pues nuestro prototipo es pequeño”, comenta la doctora Gschwendtner, “en los próximos años aumentaremos exponencialmente este récord y demostraremos la viabilidad de nuestro método, el cual ahorrará muchos recursos y llevará la física subatómica a regiones insospechadas”.
escritor y divulgador científico. Su libro más reciente es Nuevas ventanas al cosmos (loqueleo, 2020).
