El futur dels grans acceleradors

Fa un segle, Ernest Rutherford va produir al seu laboratori de Cambridge la primera reacció nuclear artificial mitjançant un feix de partícules alfa emeses per una font radioactiva natural en la qual un element químic es va transformar en un altre. El vell somni dels alquimistes. Des d’aquell moment, s’han produït canvis espectaculars en el progrés científic, molts dels quals gràcies als acceleradors de partícules de tota mena que, des del ciclotró d'Ernest Lawrence i els primers acceleradors electroestàtics, han evolucionat sense parar fins a arribar als més de vint mil acceleradors que hi ha actualment al món.

Després dels primers acceleradors, era d’esperar que es construirien acceleradors per a la recerca en física nuclear i per estudiar els components més petits de la matèria, el que ara s’anomena física de partícules elementals o física d’altes energies. Per contra, era difícil de preveure l’ús d’acceleradors per produir raigs X per a l’estudi de tota mena de materials, les actuals fonts de llum de sincrotró, i encara més difícil preveure que les indústries actuals disposarien de més del 50% dels acceleradors, amb moltes i diverses aplicacions. Tampoc era imaginable que els nostres hospitals tindrien una quantitat similar d’acceleradors destinats a la radioteràpia, la producció d’isòtops per a la medicina nuclear o la investigació biomèdica, ni que els positrons, d’antimatèria, previstos per Paul A.M. Dirac i descoberts per Carl David Anderson, serien instruments corrents per a la tomografia per emissió de positrons, PET.

La producció de tots aquests instruments ha suposat grans progressos tecnològics en molts sectors empresarials: electroimants, fonts d’alimentació, refrigeració, materials elèctrics, mecànica de precisió, sistemes de seguretat, electrònica i radiofreqüència, tècniques del buit, instrumentació, computació i control, sistemes de diagnòstic, sistemes òptics, criogènia, etc. I, alhora, representa un elevat volum de negoci a escala mundial. Així per exemple, si un típic accelerador del ram hospitalari pot tenir un cost mitjà de 2.000.000 €, només 5.000 dels existents representen una inversió de 10.000.000.000 €, mentre que si una font de llum de sincrotró suposa una inversió de 200.000.000 €, un centenar suposen 20.000.000.000 €. Si bé són xifres que poden espantar a molts, aquestes quantitats no sembla que espantin altres sectors, com els del futbol o els de les grans infraestructures del transport, per no parlar de les despeses en defensa militar. Per tant, el cost d’un gran nou accelerador no hauria de ser un factor gaire determinant a l’hora de decidir la construcció d’un nou gran accelerador.

A pesar d’aquesta gran diversitat d’acceleradors, quan es parla d’acceleradors molts pensen en primer lloc en el Gran Col·lisionador d'Hadrons (Large Hadron Collider, LHC) del CERN de Ginebra, el més gran de tots, amb 27 quilòmetres de circumferència. Amb el seu cost d’uns 5.000.000.000 € és possiblement l’instrument científic més car mai construït, si deixem de banda el sector de l’espai. Un accelerador únic al món, en què, encara que el CERN és un laboratori europeu, han participat tots els països desenvolupats. La seva construcció ha suposat reptes tecnològics enormes que s’han superat gràcies a grans esforços en recerca i desenvolupament per part de sectors públics i privats. I si bé d’aquest esforç no n’ha vist la llum cap tecnologia tan espectacular com la que va suposar el World Wide Web (WWW), el valor del qual no soc capaç de valorar, com a resultat de la necessitat d’analitzar les dades generades per l’accelerador predecessor, el Large Electron-Positron Collider (LEP), sí que n’han sorgit altres de gran importància.

Un dels grans objectius de l’LHC era comprovar si existia, o no, el bosó de Higgs i estudiar-ne les propietats. L’existència es va comprovar l’any 2012 amb la seva producció i detecció, i les seves propietats encara s’estan analitzant. Tot i que de vegades s’afirmi el contrari, la física de partícules elementals ha progressat moltíssim des de les primeres formulacions del que ara anomenem el “model estàndard” que, encara que ampliat per incorporar els neutrins massius, explica satisfactòriament totes les dades experimentals (llevat d’alguns indicis no concloents i els problemes relacionats amb la matèria i l’energia fosques). Tanmateix, el model estàndard encara té diversos problemes que fan que no es pugui considerar una autèntica “teoria”. Un d’aquests és que fa falta algun element complementari. Una de les propostes d’“element complementari” és l’existència del bosó de Higgs, proposat fa decennis però mai detectat. I ara que se n’ha comprovat l'existència, l’LHC encara dona i donarà, amb les millores que s’hi estan fent especialment en la seva lluminositat, molts resultats, potser no espectaculars, però sí necessaris per entendre l’última composició de la matèria o que ens orientaran en el progrés futur del coneixement del nostre univers.

Darrerament ha estat motiu de debat, de vegades amb certes dosis d’ignorància, quin ha de ser l’accelerador que substitueixi l’LHC quan d’aquí a una vintena d’anys la seva nova versió d’alta lluminositat, l’LHC-HL, hagi acabat la seva vida útil, suposant que es construeixi un nou gran accelerador. Encara que parlem per d’aquí a molts anys, cal recordar que l’LHC es va començar a planificar abans del 1990, molt abans del moment en què es va aprovar la seva construcció pel Consell del CERN l’any 1994 i, per tant, uns vint anys abans de la seva posada en marxa l’any 2008. Per això, si hem de poder resoldre algunes de les preguntes fonamentals de cara al 2040, és ara el moment de discutir-ne el futur.

I, més enllà de sensacionalismes i d’alarmes no del tot fonamentades sobre l'enorme cost d’una instal·lació d’aquest tipus, la comunitat científica d’aquest camp, junt amb les agències finançadores de les diverses grans regions del món, estan estudiant seriosament el futur. De propostes, no en falten, moltes d'aquestes ja analitzades des de fa anys. Es tracta de decidir quin tipus d’accelerador es vol construir, un col·lisionador d’electrons i positrons del tipus LEP o un col·lisionador de protons com l'LHC, en ambdós casos de més energia, amb perímetres de l’ordre dels 90 o 100 quilòmetres. O bé un accelerador lineal de 20 o 30 quilòmetres. A escala europea aquestes i altres propostes són les que s’estan debatent al si de l’European Strategy for Particle Physics, que es va reunir la primavera del 2019 a Granada i que es presentarà el mes de novembre del mateix any. Després vindrà el debat amb les altres regions que també tenen les seves propostes. Tanmateix, és probable, encara que potser no seria el millor, que ningú prengui decisions en ferm fins que l’LHC doni noves pistes sobre quina és l’opció més interessant.