Mil millones de dólares para la física fundamental

En julio de 2012, el consejo europeo para la investigación nuclear, CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), anunció públicamente el descubrimiento de una partícula fundamental cuya existencia fue predicha teóricamente alrededor de 1964, el bosón de Higgs. El experimento mediante el que se comprobó la existencia de dicha partícula, consiste en acelerar dos haces de protones a velocidades cercanas a las de la luz alcanzando altas energías, para después hacerlos colisionar frente a frente y observar los resultados de la colisión mediante sofisticados detectores de partículas. Cuando un par de protones interaccionan, se pueden generar otros tipos de partículas como electrones. El Modelo Estándar de la física de partículas, una construcción basada en un marco teórico de campos cuánticos, nos permite predecir qué partículas y con qué probabilidad se pueden generar en la colisión. Una de estas predicciones es la existencia del Higgs.    

Inicialmente, los protones son arrancados de átomos de Hidrógeno en estado gaseoso mediante intensos campos eléctricos, para después ser administrados en la máquina que se encarga de acelerar y colisionar los mismos, esta máquina es llamada el “gran colisionador de hadrones” o LHC (Large Hadron Collider). El LHC tiene una forma circular, se encuentra dentro de un túnel a 175 metros bajo tierra y tiene una circunferencia  de 27 kilómetros (8.6 de diámetro) la cual cruza la frontera entre Francia y Suiza. Principalmente, el LHC consiste de una serie de potentes imanes que enfocan los haces de protones a lo largo de su trayectoria circular. Cuenta con 4 diferentes puntos de colisión en los que se estudian los resultados de la misma con diferentes métodos y detectores, esto con el objetivo de replicar y corroborar indicios de posibles descubrimientos como nuevas partículas fundamentales que no forman parte del Modelo Estándar. El volumen dentro del que viajan los protones debe ser de alto vacío. Los imanes que enfocan los haces deben ser enfriados tanto como sea posible (cerca de -273 grados centígrados) para mantenerlos en un estado de superconductividad y generen así los campos magnéticos más potentes posibles para confinar a los protones a una trayectoria circular. 

El LHC es quizá la máquina más increíble y compleja jamás creada por la humanidad. Para construirla se necesitaron de 10 años y aproximadamente 5,500 millones de dólares. Adicional a esto, ha tomado alrededor de 1,200 millones dólares mantener las operaciones y realizar mantenimiento al LHC. En 2025, se comenzó a trabajar en la mejora conocida como High-Luminosity LHC (HL-LHC), planificada para ser operacional a mediados de 2030, tiene como objetivo generar haces de protones mucho más densos y aumentar la tasa de colisiones con el fin de generar más datos experimentales y refinar diversas mediciones. Se prevé que el HL-LHC producirá 15 millones de bosones de Higgs al año, mientras que el LHC produce alrededor de 3 millones por año. El costo total de esta mejora es de aproximadamente 3,600 millones de dólares. 

¿De dónde sale este dinero? Los proyectos de investigación del CERN son financiados por una colaboración de 44 instituciones y 25 países “miembros de estado”. Al firmar el convenio con CERN, el país en cuestión se compromete a financiar en diferente proporción los distintos proyectos científicos que se tienen planeados. México no forma parte de los miembros de estado, por lo que no tiene acceso a participar de forma directa (por decirlo de algún modo) en la mayoría de proyectos y no forma parte del consejo encargado de tomar las decisiones relevantes sobre la organización y sus actividades. Sin embargo, investigadores de algunas instituciones mexicanas participan en algunos de los experimentos en el CERN, principalmente en el experimento ALICE (A Large Ion Collider Experiment) diseñando, construyendo y operando detectores de partículas desde 1994. En marzo de este año CERN estuvo a punto de suspender estas colaboraciones con México ya que el gobierno mexicano tenía una deuda de mantenimiento que correspondía a los años 2021, 2022, 2023 y 2024. En junio el adeudo de casi 30 millones de pesos fue subsanado. 

¿Por qué es tan especial el Higgs? Para comenzar, el Higgs es evidencia directa del mecanismo en la naturaleza encargado de que las partículas fundamentales (como el electrón) adquieran masa (sí, esa cantidad que medimos en gramos). El Higgs es la única partícula fundamental conocida de espín 0 (una propiedad cuántica intrínseca de la materia). Todas las otras partículas sin espín conocidas son compuestas, esto nos hace preguntarnos si el Higgs es realmente fundamental o está compuesto de estructuras más pequeñas no conocidas aún. Antes de su descubrimiento en 2012, nunca se había visto algo igual, el Higgs es una puerta hacia “nueva física”. Es complicado de explicar sin términos técnicos, pero las partículas de espín 0 (también llamadas “escalares”) juegan un papel fundamental para que distintos fenómenos exóticos en la naturaleza nunca vistos tengan lugar. Algunos ejemplos son la existencia de monopolos magnéticos, cuerdas cósmicas, transiciones de fase en el universo temprano que pueden dar lugar a generación de ondas gravitacionales, decaimiento de la energía de vacío, etc. La teoría de cuerdas, que intentan modelar la gravedad como un fenómeno cuántico, involucran nuevas partículas fundamentales de espín 0 que podrían dar lugar a uno de los fenómenos más exóticos teorizados hasta ahora, la generación de “burbujas de nada”, el decaimiento o desintegración del espacio-tiempo mismo, una generación de vacío real, de la nada absoluta. Las partículas escalares son una herramienta increíble para construir escenarios y fenómenos inusuales en el marco de la teoría de campos cuánticos. Estudiar a muerte el Higgs significa seguir expandiendo el conocimiento de la raza humana sobre los mecanismos fundamentales mediante los que opera el universo. A día de hoy no se han medido experimentalmente todos los parámetros que determinan las propiedades del Higgs y la forma en la que se relaciona con las partículas del Modelo Estándar. Existen también otras preguntas aún sin respuesta que no son explicadas por el Modelo Estándar. En cierto modo es paradójico, los experimentos más precisos jamás realizados coinciden a la perfección con las predicciones teóricas del Modelo Estándar. Al mismo tiempo, sabemos que hay problemas sin resolver, el Modelo Estándar no es la última palabra.    

Las razones principales por las que no se han medido experimentalmente con alta precisión todos los parámetros que caracterizan al Higgs son dos. Para empezar, medir algunos de estos parámetros requiere de una gran producción de bosones Higgs en las colisiones, mayor a la tasa de producción del LHC. El otro inconveniente es el “ruido” generado en las colisiones. En el LHC se colisionan protones, pero recordemos que los protones son partículas compuestas de otras más fundamentales, los quarks. La presencia de los quarks da lugar a complejas cascadas de partículas generadas en cada colisión que opacan las cantidades por las que se tiene mayor interés medir. Para extraer las cantidades deseadas de los datos experimentales se tiene que discernir cuidadosamente de las señales que corresponden al ruido de los quarks. La solución a estos problemas es simple, debemos hacer colisionar partículas fundamentales que no contengan quarks, lo más sencillo es utilizar electrones. Esta es la propuesta del siguiente gran proyecto del CERN, el FCC-ee (Future Circular Collider electron-electron). El FCC sería un nuevo gran colisionador con una circunferencia de 90.7 kilómetros (28.8 de diámetro). Se prevé iniciar su construcción alrededor de 2030, para comenzar operaciones a inicios de 2050 con un tiempo de vida de 15 años. Después de esto, para inicios de 2070, se planea volver a utilizar protones y iones pesados en la colisión, a esta fase del proyecto se le conoce como FCC-hh la cuál terminaría a inicios del año 2100. La diferencia entre la fase FCC-ee y FCC-hh no es solo el tipo de partícula que se planea colisionar, si no la energía a la que se harían las colisiones. Para el FCC-ee se tiene pensado realizar colisiones a energías de 45.6, 80, 120 y 170-185.5 giga electronvoltios. De esta manera se pueden medir con alta precisión los parámetros del sector electrodébil del Modelo Estándar, es decir, de propiedades del bosón Z, W, Higgs y el quark top (el más masivo de los seis quarks). Una vez que estos parámetros sean medidos con una precisión exquisita, el siguiente paso es buscar física más allá del Modelo Estándar, debemos explorar energías más altas (es decir escalas más pequeñas) que las exploradas hasta ahora con el LHC que son de alrededor de 13 tera electronvoltios. Esta es la misión del FCC-hh al colisionar protones a 100 tera electronvoltios de energía, es decir, a energías 1000 veces más altas comparadas con las del FCC-ee.  Se espera que para 2028 el consejo de miembros de estado de CERN vote y decida si se debe construir el FCC-ee o no. 

Espero que el FCC-hh inicie operaciones antes de que muera. Espero que por lo menos inicie su construcción en algún futuro cercano, pues no solo hay dificultades técnicas que resolver para que el FCC sea una realidad, sino también económicas y políticas. Se tiene estimado que el costo de construcción y operación del FCC-ee sea de 19 mil millones de dólares. ¿Es una buena idea financiar este proyecto?         

La ciencia no debe tener un fin práctico, no a priori por lo menos. ¿Por qué necesitamos de una razón práctica o excusada en la generación de riquezas para estudiar cómo funciona la naturaleza? Imponer condiciones como estas son un crímen, una sandez. Es incluso arrogante, es arrogante creer que somos lo suficientemente inteligentes como para predecir qué proyectos de investigación tienen más valor práctico que otros. Es arrogante pensar que tenemos todas las respuestas. Podríamos decir que la ciencia se “divide” en fundamental y aplicada. Por lo general, los descubrimientos científicos fundamentales, aquellos a los que se llegaron no por necesidad práctica, con el tiempo encuentran una o muchas aplicaciones que permiten crear o mejorar herramientas para resolver problemas de la sociedad. Esto requiere de tiempo, no sucede de la noche a la mañana, pueden pasar años, décadas e incluso siglos para que una idea abstracta en la mente de algún curioso que pueda no parecer relevante, cambie las vidas de miles de personas en el día a día. Algunos de los grandes descubrimientos de la humanidad han sido accidentales, y de la mayoría nunca se imaginó el gran impacto que tendrían. En muchas ocasiones los grandes descubrimientos los realizan aquellos que trabajan duro por seguir y satisfacer su curiosidad (o en ocasiones por establecer su dominio intelectual sobre otros, es decir por competencia).

Al mismo tiempo, creo que también es una buena práctica buscar maneras en las que el dinero utilizado para financiar proyectos como el FCC sea una inversión y no un gasto en el sentido económico. Después de todo, ese dinero se puede utilizar para otras cosas también. Generalmente, si un país está dispuesto a invertir tanto dinero en algún proyecto, es porque no es un gasto, sino una inversión. Aunque no lo parezca, construir el LHC fue una gran inversión. No solo por los miles de empleos generados, si no por la tecnología que fue necesaria desarrollar. Sí, es verdad que estudiar el Higgs no curará el cáncer directamente, no eliminará el hambre del mundo ni traerá la paz al mismo. Sin embargo sí que tiene un impacto indirecto, mencionaré dos ejemplos de mis preferidos. La tecnología desarrollada para construir y operar aceleradores de partículas como el LHC, ha sido de gran utilidad para desarrollar terapias de radiación de protón para tratar el cáncer. La naturaleza del protón permite irradiar tumores minimizando los efectos sobre células no cancerígenas. Esto se debe a que la manera en la que el protón libera su energía no es un efecto lineal, sino que hay un punto particular en el que un “golpe” de energía (la mayor cantidad)  es liberada. La medida en la que el protón deposita su energía en función de su posición se conoce como curva de Bragg. En una terapia de radiación por protón moderna se puede lograr con alta precisión que la localización del tumor en el cuerpo coincida con el punto en el que el protón libera la mayor parte de su energía, de este modo el daño de células no cancerígenas es minimizado. El segundo ejemplo no es consecuencia directa de la investigación en aceleradores de partículas, pero sí lo es del estudio de ideas muy abstractas y fundamentales de la física, la mecánica cuántica y la física nuclear. Me refiero a la resonancia magnética nuclear, una técnica de imagen que nos permite observar tejidos y estructuras dentro del cuerpo sin irradiar al mismo. 

El llevar a cabo experimentos científicos como los del CERN, tiene otro impacto “no tangible” o no medible en términos materiales a priori, me refiero a la educación e incluso al impacto a nivel psicológico como seres humanos. Es similar a la razón por la que debemos estudiar matemáticas, nos hace menos ignorantes. Llevar a cabo estos proyectos es de utilidad en otras muchas cosas que ni imaginamos. El CERN es un gran ejemplo de colaboración internacional que lleva a la humanidad un poco más cerca de la paz mundial. Miles de personas de todo el mundo, sin importar sus creencias religiosas, color de piel, nacionalidad, orientación sexual y de género, trabajan juntas en armonía con un fin común, comprender la naturaleza a su nivel más fundamental persiguiendo su curiosidad, eso que nos hace humanos.  

Aunque no hace falta ser brillante para entender los beneficios que puede generar el FCC, los gobiernos que financian este proyecto no han mostrado un apoyo total al mismo. Además de esto, un pequeño porcentaje de la comunidad científica ha expresado inconformidad ante los altos costos de construcción y operación del proyecto. Hay quienes dicen que “la física de partículas está muerta”, esta misma actitud se ha repetido una y otra vez en la historia de la ciencia ante momentos inciertos (y de arrogancia) respecto a qué dirección tomar, es decir, qué experimentos debemos realizar. Esto se debe principalmente a que se pensaba que el LHC no solo encontraría el Higgs, sino también muchas otras nuevas partículas (necesarias por ejemplo para probar que la teoría de cuerdas es correcta), sin embargo, la única nueva partícula fundamental descubierta por el LHC fue el Higgs, algunos creen que la historia se repetirá con el FCC.

El pasado 18 de diciembre CERN anunció algo inédito, por primera vez en su historia, recibió una donación de 1000 millones de dólares destinada para financiar un proyecto científico, en este caso el FCC. Esta donación fue realizada por The Breakthrough Prize Foundation, The Eric and Wendy Schmidt Fund for Strategic Innovation, y los empresarios John Elkann y Xavier Niel. En principio, esta es una noticia increíble ¿podría esto animar a otros magnates a donar dinero para construir el FCC u otros experimentos de física fundamental como el colisionador de muones? Por otro lado, como se suele decir, “there's no free lunch”, es decir, esperemos que esta donación venga sin cláusulas o condiciones impuestas por los donantes. Lo ideal es dejar al CERN hacer su trabajo y que manejen la donación como ellos crean mejor, ya han demostrado ser capaces de esto. Además, como cualquier otro gran proyecto, el FCC está respaldado por estudios de factibilidad y análisis económicos de retorno de inversión.    

¿Es entonces una buena idea financiar el FCC? Sí, no sólo porque representa el siguiente gran paso de exploración para entender cómo funciona el universo, sino por el positivo alto impacto que tiene en términos prácticos y materiales. Para poner en perspectiva la cantidad invertida en el LHC y necesaria para construir el FCC-ee, recordemos que solo entre 2010 y 2012 el gobierno de Estados Unidos gastó alrededor de 200 mil millones de dólares en operaciones militares. Por otro lado, el presupuesto asignado para gastos operacionales de la FIFA (Fédération Internationale de Football Association) en 2025 fue de 2 mil millones de dólares, mientras que el asignado para 2026 será de 6 mil millones. A usted lector lo invito a tomar su propia conclusión respecto a esta comparación.