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Índice
01 3 INTRODUCCIÓN 4 Información general
6 RESUMEN EJECUTIVO
02 10 EL UNIVERSO CUÁNTICO 12 Una puerta abierta al universo cuántico 12 Los secretos de la “escala Tera” 14 La partícula de Higgs 15 El descubrimiento definitivo:
¿dimensiones adicionales? 16 Arrojando luz sobre la materia oscura 18 Un supermundo paralelo 18 Un telescopio a lo desconocido 19 Posibles descubrimientos
03 20 EL ILC: LA MÁQUINA PARA EL FUTURO 22 El ILC: guía paso a paso 24 Principales retos
04 28 UN PROYECTO A ESCALA MUNDIAL 29 El Global Design Effort 29 Consideraciones sobre el emplazamiento 30 Estimación del coste del ILC 33 Siguientes pasos
05 34 EL CAMINO POR RECORRER 34 La próxima generación 36 Una rápida vía de progreso para la industria 38 Más allá del horizonte
EL ARRECIFE DE LA
SUPERSIMETRÍA
EL MAR DE LOS
GRANDES MISTERIOS
EL OCÉANO DEL
BIG BANG
EL PASOCONTINUO
EL MAR DE LOS
PEQUEÑOS MISTERIOS
EL PUERTO
DEL MODELO
ESTÁNDAR
EL MAR DE LOS
QUARKS
EL MAR DE
LAS TEORÍASLA VORÁGINE DE LA
ENERGÍA OSCURA
LA ISLA DE
HIGGS
El cabo de la
Antimateria
La pradera de Newton
El monte Einstein
LA TIERRA DE LA
UNIFICACIÓN
FINAL
EL ARCHIPIÉLAGO
DE LAS DIMENSIONES
ADICIONALES
EL TERRITORIO
CONOCIDO
EL TERRITORIO
DE LA MATERIA
OSCURA
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EL UNIVERSO CUÁNTICO
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EL ARRECIFE DE LA
SUPERSIMETRÍA
EL MAR DE LOS
GRANDES MISTERIOS
EL OCÉANO DEL
BIG BANG
EL PASOCONTINUO
EL MAR DE LOS
PEQUEÑOS MISTERIOS
EL PUERTO
DEL MODELO
ESTÁNDAR
EL MAR DE LOS
QUARKS
EL MAR DE
LAS TEORÍASLA VORÁGINE DE LA
ENERGÍA OSCURA
LA ISLA DE
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El cabo de la
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La pradera de Newton
El monte Einstein
LA TIERRA DE LA
UNIFICACIÓN
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EL ARCHIPIÉLAGO
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ADICIONALES
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EL UNIVERSO CUÁNTICO
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LUGAReS PARA ViSiTAREl universo cuántico contiene lugares asombrosos por
descubrir. Durante su viaje, asegúrese de que no deja de
visitar:
1 La isla de Higgs: ¡es enorme!2 El arrecife de la Supersimetría: compruebe lo simétrico que realmente es3 El archipiélago de las Dimensiones Adicionales:
nunca más volverá a pensar en tres dimensiones4 La tierra de la Unificación Final: el lugar donde
concluyen todos los viajes5 El territorio de la Materia Oscura: díganos qué ve...
¿Qué es el Colisionador Lineal Internacional?
Estamos a punto de presenciar una revolución científica. El Colisionador Lineal Internacional (ILC; International Linear Collider), un nuevo acelerador de partículas en fase de proyecto, promete cambiar radicalmente nuestra comprensión del universo al revelar los orígenes de la masa, desarrollar las dimensiones espaciales ocultas en expansión e incluso explicar el misterio de la materia oscura. La avanzada tecnología de superconductores acelerará y hará colisionar partículas a energías asombrosa-mente altas en el interior de túneles de más de 30 km de longitud. Modernísimos detectores regis-trarán estas colisiones en el centro del aparato, lo que abrirá una nueva puerta al universo cuántico, un territorio inexplorado donde lo más pequeño consigue dar respuestas a preguntas sobre lo más grande. Desde jóvenes recién licenciados a catedráti-cos de universidad, más de un millar de científicos de todo el mundo colaboran en la actualidad en el diseño y construcción del acelerador de partículas del mañana.
inTROdUcciÓn01
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EL COLISIONADOR LINEAL INTERNACIONAL: UNA PUERTA
ABIERTA AL COMITÉ DEL UNIVERSO CUÁNTICO
Jonathan BaggerUniversidad Johns Hopkins, EE. UU.
Ties BehnkeDESY, Alemania
Philip Burrows (presidente)Universidad de Oxford, Reino Unido
Jinhyuk ChoiLaboratorio de acelerador de Pohang, Corea del Sur
Elizabeth ClementsFermilab, EE. UU.
Jean-Pierre DelahayeCERN, Suiza
Chris DamerellLaboratorio Rutherford Appleton, Reino Unido
Jie GaoIHEP, Academia China de las Ciencias, China
David HarrisRevista Symmetry, EE. UU.
Rolf HeuerDESY y Universidad de Hamburgo, Alemania
JoAnne HewettSLAC, EE. UU.
Young-Kee KimUniversidad de Chicago y Fermilab, EE. UU.
Joe LykkenFermilab, EE. UU.
Youhei MoritaKEK, Japón
Hitoshi MurayamaLaboratorio Nacional Lawrence Berkeley, EE. UU.
Won NamkungLaboratorio del acelerador de Pohang, Corea del Sur
Perrine Royole-DegieuxIN2P3/CNRS, Francia
Rika TakahashiKEK, Japón
Nobu TogeKEK, Japón
Nick WalkerDESY, Alemania
Barbara WarmbeinDESY, Alemania
John WomersleyLaboratorio Rutherford Appleton, Reino Unido
01 | INTRODUCCIÓN
inFORMAciÓn GeneRAL: La comunidad mundial del ILC, compuesta por más de 1.000 físicos e ingenieros dedicados a hacer realidad esta máquina de próxima generación, acaba de publicar su Informe de diseño de referencia. Los cuatro volúmenes del informe recogen con gran detalle los objetivos en el campo de la física, los retos técnicos, los logros en I+D y las características generales del acelerador proyectado. Este documento, El Colisionador Lineal Internacional: una puerta abierta al universo cuántico (The International Linear Collider – Gateway to the Quantum Universe) simplifica el detallado contenido técnico del Informe de diseño de referencia y explica por qué y cómo se construirá este futuro gran aparato del campo de la física de partículas.
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601 | RESUMEN EJECUTIVO
Los físicos de partículas pretenden dar respuesta a profundas cuestiones sobre el universo mediante el estudio de las leyes fundamentales de la naturaleza, entre ellas las siguientes: ¿Cuáles son las piezas que componen la materia y cómo encajan entre sí para dar forma al mundo? ¿Existen más dimensiones además de las tres que percibimos con nuestros sentidos? ¿Forman parte todas las fuerzas de la naturaleza de una única fuerza unificada? ¿De dónde proviene la materia? ¿Cuál es la naturaleza de la materia oscura que une las galaxias entre sí? En la actualidad estas cuestiones constituyen un misterio.
Los aceleradores de partículas actuales y anteriores revelaron los dominios y el comportamiento de las partículas elementales hasta distancias muy pequeñas. Ahora conocemos las partículas consti-tuyentes de la materia corriente y sabemos que las fuerzas fundamentales de la naturaleza son cuatro.
Por eso ahora estamos listos para dar un paso más allá y embarcarnos hacia nuevos descubrimientos. Nuestro objetivo es resolver estos misterios pendien-tes utilizando la próxima generación de aceleradores avanzados de partículas, lo que nos trasladará a una nueva región energética para estudiar fenómenos más pequeños y más fundamentales. Esta región energética se denomina “escala Tera”, debido a los billones de voltios de energía que se necesitan para acceder a ella.
ReSUMen eJecUTiVO
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A lo largo de los próximos años, el Gran colisionador de hadrones (LHC; Large Hadron Collider) nos ofrecerá por primera vez una amplia visión de la “escala Tera”. El objetivo del Colisionador Lineal Internacional (ILC) es profundizar en los descubrimientos que se realicen en el LHC. El ILC es una lente de aumento que nos permitirá ampliar este nuevo paisaje con una precisión extrema, revelando toda su riqueza y nuevos niveles de detalle. El ILC nos proporcionará una visión del universo a energías que fueron observadas por última vez cuando la edad de éste era de una milmillonésima de milmillonésima de segundo. La combinación del ILC con el LHC nos conducirá a situaciones en las que abundarán los descubrimientos tanto esperados como inesperados.
La física de partículas es una maravillosa fuente de inspiración. El ILC atraerá a los mejores cerebros de la ciencia y la tecnología y nos permi-tirá formar a futuras generaciones de científicos e ingenieros que harán posible que la tecnología continúe avanzando y aporte un gran número de aplicaciones a la ciencia y a la industria. Los conocimientos adqui-ridos a partir de la investigación básica a lo largo del siglo pasado han transformado la economía y la cultura mundial.
“escala Tera” y salto cuántico: potencias de diez
10–12 pico p 0,000 000 000 001
10–9 nano n 0,000 000 001
10–6 micro μ 0,000 001
10–3 milli m 0,001
10–2 centi c 0,01
10–1 deci d 0,1
100 1
101 deca da 10
102 hecto h 100
103 kilo k 1 000
106 mega M 1 000 000
109 giga G 1 000 000 000
1012 tera T 1 000 000 000 000
¿Qué significa “universo cuántico”?El universo cuántico es el dominio subatómico del universo, gobernado por las leyes de la física cuántica. La física de partículas pretende descubrir la constitución del universo y su funcionamiento, cuestiones cuya respuesta debe buscarse a escala cuántica subatómica. La reciente revolución en la compren-sión del universo por parte de los físicos de partículas, así como la próxima generación de aceleradores de partículas, pondrá el universo cuántico a nuestro alcance.
01 | RESUMEN EJECUTIVO
Aún no somos capaces de predecir en qué medida transformarán la sociedad las dimensiones adicionales o la materia oscura; no obstante, es fácil imaginar las ventajas que pueden aportar las herramientas que se están desarro-llando: aplicaciones en el campo de la medicina y el transporte, obtención de imágenes biológicas en tiempo real, desarrollo de nue-vas herramientas informáticas y nuevos dispositivos de generación de imágenes para la industria de las comunicaciones y la industria gráfica, por poner sólo algunos ejemplos.
Más allá del impacto directo que tiene en nuestras vidas la investigación básica, obtenemos satisfacción al lograr una mayor comprensión del mundo en el que habitamos. Ese instinto innato que nos lleva a explorar e intentar comprender el funcionamiento de las cosas es algo connatural al ser humano. Es nuestra propia curiosidad la que nos espolea a construir el ILC y lo que en última instancia nos conducirá a hacer descubrimientos que resuelvan los mayores misterios del universo.
el iLc en cifras
COLISIONES:Entre los electrones y sus antipartícu-las, los positrones, en paquetes de 5 nanómetros (5 milmillonésimas de metro) de altura, cada uno de los cuales contiene 20.000 millones de partículas que colisionan entre sí 14.000 veces por segundo.
ENERGÍA: Hasta 500.000 millones de electron-voltios (GeV), con opción de aumentar a 1.000.000 millones de electronvoltios (TeV).
TECNOLOGÍA DE ACELERACIÓN:16.000 cavidades aceleradoras super-conductoras de niobio puro.
LONGITUD:Aproximadamente 31 km, además de los dos anillos de atenuación, cada uno de ellos con una circunferencia de 6,7 km.
GRADIENTE DE ACELERACIÓN:31,5 megavoltios por metro.
TEMPERATURA DE LA CAVIDAD:2 K (–271,2 ºC o –456 °F).
DETECTORES:Dos, con tecnología complementaria.
EMPLAZAMIENTO:Se determinará en la siguiente fase del proyecto.
COMUNIDAD ILC:En el desarrollo del ILC participan casi 300 laboratorios y universidades de todo el mundo: más de 700 personas trabajan en el diseño del acelerador, y otras 900 personas en el desarrollo del detector. Las labores de diseño del acelerador se coordinan mediante el Global Design Effort, y las labores que atañen a la física y al detector mediante el World Wide Study.
EN INTERNET:http://www.linearcollider.org
electrones
Acelerador lineal principal
Acelerador lineal principal
Anillos de atenuación
Detectores Fuente de electrones
Sistemas de distribución del haz
Fuente de positrones Positrones
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02 | EL UNIVERSO CUÁNTICO
En estos últimos años, los experi-mentos y observaciones reali-zados han revelado un universo mucho más sorprendente y mara-villoso de lo que nunca habíamos imaginado: un universo que contiene sustancias tan miste-riosas como la materia oscura y la energía oscura, y en el que la materia ordinaria, es decir, todo lo que somos, vemos y sentimos, constituye tan sólo una diminuta fracción.
La próxima generación de acelera-dores de partículas llevará nuestra imaginación aún más allá, pues su objetivo es sacar a la luz estas nuevas formas de materia, nuevas fuerzas de la naturaleza y nuevas dimensiones de espacio y tiempo. Estos aceleradores analizarán un territorio inexplorado, la “escala Tera”, denominada así por los niveles de energía que se alcanza-rán, próximos a los teraelectron-voltios (billones de electronvoltios o TeV), necesarios para abrir este territorio del descubrimiento científico.
En la actualidad sabemos que en dicho territorio se oculta algo desconocido hasta ahora: muchos experimentos de precisión lleva-dos a cabo en las pasadas décadas por equipos internacionales así lo indican. La cuestión es que no sabemos exactamente lo que podemos encontrar. Al explorar la “escala Tera”, esperamos hallar respuestas a nuestras preguntas mediante una nueva y revolucio-naria visión del universo y de sus leyes físicas: el universo cuántico.
02 eL UniVeRSO cUÁnTicO
Nos estamos formulando cues-tiones fundamentales sobre el universo:
1. ¿Existen aún principios de la natu-raleza sin descubrir?
2. ¿Cómo podemos resolver el misterio de la energía oscura?
3. ¿Existen dimensiones espaciales adicionales?
4. ¿Todas las fuerzas convergen en una sola?
5. ¿Por qué hay tantas clases de partículas?
6. ¿Qué es la materia oscura? ¿Cómo la podemos crear en el laboratorio?
7. ¿Qué nos indican los neutrinos?
8. ¿Cómo se creó el universo?
9. ¿Qué ocurrió con la antimateria?
La próxima generación de aceleradores de partículas nos ayudará a encontrar las respuestas a estas preguntas.
Nuestro concepto del universo está sufriendo una revolución
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Una puerta abierta al universo cuántico
Para efectuar este salto hacia lo desconocido, físicos de todo el mundo colaboran en el diseño y construc-ción de los aceleradores más avanzados que se hayan concebido nunca. El ILC permitirá cartografiar este inexplorado territorio con una precisión sin prece-dentes. El primer mapa de la “escala Tera” se obtendrá mediante el LHC que se encuentra actualmente en construcción en el CERN de Ginebra, Suiza. Nadie sabe con exactitud lo que el LHC revelará, pero sin duda el territorio es vasto y el potencial de descubrimiento, enorme.
El ILC permitirá aplicar una precisión exquisita al nuevo territorio revelado en un principio por el LHC, ya que ampliará los descubrimientos efectuados por el LHC y revelará las nuevas leyes de la naturaleza a “escala Tera”.
Juntos, estos dos vehículos de descubrimiento sin precedentes podrán revelarnos los misterios del uni-verso cuántico.
Los secretos de la “escala Tera”
A partir de los experimentos y descubrimientos rea-lizados a lo largo de las últimas décadas, los físicos creen que a “escala Tera” se pueden encontrar prue-bas de formas de materia completamente nuevas, e incluso posiblemente de dimensiones espaciales adicionales. La nueva materia puede incluir la par-tícula Higgs, así como toda una familia adicional de “superpartículas” elementales, parientes cercanas de mayor masa de las partículas que ya conocemos. Todos estos descubrimientos nos ayudarán a conocer la naturaleza del universo y de las leyes de la física.
La próxima genera-ción de aceleradores
El Gran colisionador de hadrones (LHC) del CERN, la Organización Europea de Investigación Nuclear, con sede en Ginebra, Suiza, comenzará a funcionar en 2008. En un túnel circular de 27 km de circunferencia, el LHC hará colisionar haces de protones entre sí. En su vuelo por el LHC, cada protón poseerá una energía de 7 teraelectronvoltios. Sin embargo, como los protones son conjuntos de partículas denominadas quarks y gluones, la colisión entre quarks y gluones individuales solamente pone en juego una fracción de la energía de cada protón. En el interior del LHC se producirán colisiones que pueden dar lugar a nuevas partículas masivas, con una energía total de hasta unos pocos teraelectronvoltios.
El Colisionador Lineal Internacional (ILC) lanzará haces de electrones contra haces de positrones, las antipartículas de los electrones. Dos aceleradores lineales enfrentados, de los cuales uno lanzará electrones y el otro positrones, se extenderán sobre una distancia total de aproximada-mente 31 km. En el punto central, los electrones y los positrones, cada uno de ellos con una energía de 250.000 millones de electronvoltios, colisio-narán a una velocidad cercana a la de la luz. Las espectaculares colisiones resultantes liberarán una energía total de 500.000 millones de electronvoltios, que estarán íntegramente disponibles para la creación de nuevas partículas. El diseño del ILC prevé una posterior actualización del aparato hasta un nivel de energía aproximado de 1 teraelec-tronvoltio.
¿Por qué la geometría del ILC es lineal en lugar de circular? Cuando una partícula con carga eléctrica es forzada a recorrer una trayectoria curva emite rayos X y pierde energía. Cuanta más energía contenga la partícula, más energía se pierde. Esta pérdida de energía es mucho mayor en el caso de los electrones y positrones que en el de los protones del LHC. La solución para que los electrones y los posi-trones alcancen elevadas energías es eliminar las curvas, de ahí la geometría “lineal” del ILC.
02 | EL UNIVERSO CUÁNTICO
Imagen: Fermilab, NASA, ESA, G. Piotto (Universidad de Padua) y A. Sarajedini (Universidad de Florida)
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La partícula de Higgs
El Modelo Estándar actual de la física de partículas describe prácticamente todos los fenómenos de gran energía observados con los aceleradores de partículas existentes. Su exactitud es notable, aunque se basa precisamente en una hipótesis aún sin verificar: el mecanismo de Higgs. La partícula de Higgs es la única partícula del Modelo Estándar que aún no ha podido ser observada. En el Modelo Estándar desempeña un papel clave en la explicación del origen de las masas de las partículas elementales. Como un fluido cuán-tico invisible, el campo de Higgs rellena el vacío del espacio, ralentizando el movimiento de las partículas y aportando masa a la materia. Al perturbar este flui-do cuántico con una energía suficientemente alta, se espera que libere, de una en una, partículas de Higgs observables.
La medición precisa de las partículas elementales ob-servadas nos permite estimar a qué nivel energético aparecerá la partícula de Higgs. Dicho nivel energético se encuentra en el límite alcanzable por los acelera-dores de partículas existentes, pero se encontrará plenamente dentro del rango energético del LHC y del ILC.
En el ILC se generarán partículas de Higgs a partir de las colisiones electrón-positrón y a continuación se medirán sus propiedades con gran precisión: la masa, el momento rotacional intrínseco denominado “spin” y la intensidad de su interacción con las otras partículas elementales. ¿Se asemejarán las propieda-des de Higgs a las predichas por el Modelo Estándar? ¿O nos descubrirán una superpartícula de Higgs más exótica de lo esperado? ¿Se revelará que la naturaleza es aún más compleja? El ILC nos permitirá averiguar la solución a estos enigmas.
02 | EL UNIVERSO CUÁNTICO
el Modelo estándar (y más allá)
El Modelo Estándar de la física de partículas es una teoría que describe las partículas conocidas que constitu-yen la materia ordinaria, así como tres de las cuatro interacciones funda-mentales conocidas entre ellas. Estas interacciones, o fuerzas, son la fuerza electromagnética (de uso cotidiano), la fuerza nuclear fuerte (que mantiene unidos los quarks en el interior del núcleo atómico) y la fuerza nuclear débil (responsable de gran parte de la desintegración radiactiva). El alcance del Modelo Estándar no abarca la cuarta fuerza, la gravitatoria.
Antimateria
Cada partícula elemental tiene su correspondiente contraparte de antima-teria. Esta pareja es idéntica en muchos aspectos, excepto principalmente en que tiene una carga opuesta. Por ejemplo, un electrón y un positrón son idénticos, excepto por el hecho de que el electrón está dotado de carga negati-va mientras que el positrón tiene carga positiva. Cuando se encuentran una partícula y su antipartícula, se anulan y alcanzan un estado de energía pura.
el descubrimiento definitivo: ¿dimensio-nes adicionales?
Dentro del concepto actual del universo, las leyes que describen los elementos muy grandes no se relacio-nan con las que describen los elementos muy peque-ños. En la actualidad sabemos que tres de las cuatro fuerzas conocidas comparten la misma estructura matemática descrita por la teoría cuántica. ¿Será posi-ble compatibilizar la teoría de la gravedad (la ley de los cuerpos muy grandes) con la teoría cuántica (la ley de los cuerpos muy pequeños)? ¿Podría existir una teoría subyacente, la teoría del todo? Las excepcionales características del ILC podrían indicarnos el camino hacia esta última teoría.
La teoría de cuerdas es una prometedora candidata a unificar las leyes que rigen lo grande y lo pequeño. Esta teoría sostiene que todas las partículas y fuerzas se pueden describir en términos de diminutas cuerdas que vibran. Mientras que el toque de una cuerda produce un quark, otro toque produce un fotón: toda una sinfonía de partículas. La teoría de cuerdas viene acompañada por una serie de llamativos conceptos, entre los que se encuentran la supersimetría y las dimensiones espaciales adicionales.
Estas dimensiones adicionales no son visibles en el mundo ordinario. Se cree que están tan curvadas que solamente pueden hacerse visibles en los aceleradores más potentes. Si existieran nuevas dimensiones a “escala Tera” podrían ser descubiertas con el LHC, y el ILC podría determinar el número de dimensiones nuevas, su tamaño y forma, así como las partículas que habitan en su interior. Por tanto, juntos, el LHC y el ILC podrían abrir una ventana a todo un nuevo mundo de gravedad cuántica.
Imagen: Jean-Francois Colonna
14 | 15
Arrojando luz sobre la materia oscuraLa pasada década nos aportó el emocionante descubrimiento de que el 96% del universo no está constituido por materia ordinaria, sino por “energía oscura” (alrededor del 74%), que provoca la acelerada expansión del universo, y de “materia oscura” (alre-dedor del 22%), una misteriosa forma de materia que no emite luz y que, por lo tanto, es difícil de detectar con los métodos de observación ordinarios.
No obstante, existen claras evidencias de este universo oscuro procedentes de muchas fuentes, entre ellas las observaciones astrofí-sicas de cúmulos de galaxias que se hubieran alejado unas de otras si únicamente estuvie-sen unidas mediante la materia ordinaria. La materia oscura parece constituir el factor aglutinante del universo.
Pero ¿qué es la materia oscura? La física de partículas nos ofrece una explicación. La mayor parte de las predicciones relativas a la “escala Tera” incluyen las partículas de materia oscura. Produci-das en grandes cantidades en la ardiente marmita del Big Bang, puede que hasta la actualidad hayan sobrevivido suficientes partículas para constituir la materia oscura cosmológica. Para saberlo con segu-ridad necesitamos producir estas partículas y medir sus propiedades con precisión.
Las teorías de la supersimetría constituyen el centro de atención en este caso. Si existen partículas super-simétricas en la naturaleza, se deberían poder produ-cir y estudiar en el LHC y el ILC. Dichas partículas su-persimétricas podrían integrar la materia oscura del universo. Mediante una medición precisa de la masa de estas partículas en el ILC y comparándola con las cada vez más exactas mediciones cosmológicas, se puede determinar si las partículas supersimétricas constituyen toda la materia oscura o si hay algo más que se nos está escapando.
Al igual que los caramelos de este tarro, el universo es oscuro en su mayor parte: el 96% consiste en materia oscura y energía oscura. Únicamente alrededor del 4% del universo (la misma proporción de caramelos de colores), incluidas las estrellas, los planetas y nosotros mismos, está compuesto de la materia atómica que nos es familiar.
Supersimetría
Existe la hipótesis de que la super-simetría es una propiedad del universo, aunque aún no se ha observado experi-mentalmente. Esta hipótesis postula que cada partícula lleva asociada una partícula supersimétrica, denominada “superpareja”. Esta superpareja es una réplica pesada de la partícula, aunque con otra diferencia importante. Todas las partículas se clasifican como fermiones o bosones. A cada partícula de una clase le corresponde una super-pareja en la otra, lo que “actúa como contrapeso” y hace que la naturaleza sea más simétrica. Por ejemplo, la su-perpareja de un electrón (un fermión) se denomina selectrón (un bosón).
La teoría de la supersimetría describe un gran baile de partículas en todo el universo, en el que actualmente sólo podemos observar una partícula de cada pareja. Todas estas partículas aún sin detectar pueden constituir la fuente de la misteriosa “materia oscura” de las galaxias. Aunque las superparejas aún no han sido observadas en la natu-raleza, es posible que pronto puedan producirse en el LHC y el ILC.
02 | EL UNIVERSO CUÁNTICO
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EL ARRECIFE DE LA
SUPERSIMETRÍA
EL MAR DE LOS
GRANDES MISTERIOS
EL OCÉANO DEL
BIG BANG
EL PASO
CONTINUOEL MAR DE LOS
PEQUEÑOS MISTERIOS
EL PUERTO
DEL MODELO
ESTÁNDAR
EL
MAR DE LOS
QUARKS
EL MAR DE
LAS TEORÍAS
LA VORÁGINE DE LA
ENERGÍA OSCURA
LA ISLA DE
HIGGS
El cabo de la
Antimateria
La pradera
de NewtonEl monte
Einstein
LA TIERRA DE LA
UNIFICACIÓN
FINAL
EL ARCHIPIÉLAGO
DE LAS DIMENSIONES
ADICIONALESEL TERRITORIO
CONOCIDO
EL TERRITORIO
DE LA MATERIA
OSCURA
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1 año luz
EL UNIVERSO CUÁNTICOUn supermundo paraleloAdemás de la materia oscura, la teoría de la supersimetría predice todo un mundo de superpartícu-las, parejas de las partículas ele-mentales que conocemos hoy en día. El ILC arrojará luz sobre este supermundo paralelo, en caso de que exista. Las colisiones electrón-positrón de alta energía del ILC podrían producir estas superpar-tículas, lo que permitiría estudiar los distintos tipos existentes y medir sus interacciones. Estas observaciones determinarían la estructura y la definición de este supermundo.
Un telescopio a lo desconocido
La gran precisión de sus colisiones electrón-positrón hará posible que el ILC sirva de telescopio para explorar niveles energéticos mucho mayores de los que podría lograr directamente cualquier acelerador de partículas.
Sin embargo, por el momento nuestra visión se ve limitada por nuestra ignorancia de la física a “escala Tera”. Los datos obtenidos con el ILC pueden arrojar luz sobre la “escala Tera” y servirnos de telescopio para ver más allá. El ILC podría ofrecernos una visión de niveles de energía un billón de veces superiores al suyo propio, del reino de las energías ultraele-vadas, en el que podrían unificar-se todas las fuerzas de la naturaleza.
dos fuerzas que se convierten en una
Durante siglos, los científicos sospe-charon que existía una conexión entre la electricidad y el magnetismo. Por ejemplo, cuando caía un rayo sobre un barco en alta mar, los tripulantes perci-bían que se producía una perturbación en la aguja de la brújula. En el siglo XIX, James Clerk Maxwell unificó con éxito la electricidad y el magnetismo en una única estructura teórica. Esta teoría combinada, el electromagne-tismo, es el fundamento de muchas tecnologías habituales en nuestra vida moderna, desde las bombillas incandescentes a la televisión o los ordenadores.
En la actualidad, la búsqueda se centra en probar que las cuatro fuerzas fundamentales (electromagnetismo, gravedad, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil) tienen su origen en una fuerza única que se manifiesta a escalas energéticas muy elevadas. Aún no somos capaces de comprender las posibles consecuencias de esta teoría unificada, aunque las posibilidades son infinitas.
Descubrir una nueva fuente de asimetría materia- antimateria
Determinar el origen de la masa
El HiggsDeterminar por qué existe el Higgs
Hallar parientes del HiggsDescubrir los efectos de las dimensiones adicionales
Relacionar la unificación con las dimensiones adicionales y la teoría de cuerdas
Unificación final
Descubrir una fuerza de
la naturaleza desconocida
anteriormente
Relacionar nuevas fuerzas
con la unificación de los
quarks, con otras partícu-
las como los neutrinos y con
el Higgs
02 | EL UNIVERSO CUÁNTICO
Posibles descubrimientos
Independientemente de lo que se consiga descubrir con el LHC, el ILC es el aparato adecuado para analizar estos descubrimien-tos y para abundar en ellos. Los descubri-mientos concretos dependerán de la propia naturaleza, pero sin duda existe una amplia variedad de interesantes posibilidades.EL ARRECIFE DE LA
SUPERSIMETRÍA
EL MAR DE LOS
GRANDES MISTERIOS
EL OCÉANO DEL
BIG BANG
EL PASO
CONTINUOEL MAR DE LOS
PEQUEÑOS MISTERIOS
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HIGGS
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DE LAS DIMENSIONES
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CONOCIDO
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OSCURA
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1 año luz
EL UNIVERSO CUÁNTICO
Supersimetría
Determinar la naturaleza de
la supersimetría
Descubrir la naturaleza
super simétrica de la materia
oscura
Revelar la unificación de
todas las fuerzas y de la
materia a energías ultrae-
levadas
Dimensiones adicionales
Descubrir el número y la
forma de las dimensiones
adicionales
Determinar cuáles son las
partículas que se mueven en
las dimensiones adicionales
Cartografiar la ubicación de
las partículas dentro de las
dimensiones adicionales
Materia oscura
Descubrir la identidad de las
partículas con interacciones
fuertes y débiles dentro de
la materia oscura
Medir la cantidad de
partículas con interacción
débil
Relacionar las candida-tas a materia oscura con teorías más profundas de dimensiones adicionales, supersimetría y la teoría de la unificación final
Utilizar las propiedades de la materia oscura para son-dear el universo primigenio, proporcionándonos una ven-tana al pasado, al momento del Big Bang
Imagen: form one
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Científicos e ingenieros de todo el mundo colaboran en I+D para el Colisionador Lineal Internacional.
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03 | EL ILC: LA MÁQUINA PARA EL FUTURO
03 eL iLc: LA MÁQUinA PARA eL FUTURO
La consecución de nuestras ambiciosas metas en la física constituye un importante reto. El Colisionador Lineal In-ternacional no sólo nos permitirá ampliar las fronteras de nuestro conocimiento del universo, sino que también nos está obligando ya a avanzar en áreas muy diversas, tales como la tecnología avanzada de aceleradores, el diseño de materiales y el desarrollo de detectores. Un equipo internacional de científicos e ingenieros se está empleando a fondo en el desarrollo del diseño.
Fabricación de la herramienta idónea
La exploración del universo cuántico mediante ace-leradores se asemeja a enfocar la luz de una linterna de forma metódica para encontrar algo pequeño en la oscuridad.
Deseamos hacer colisionar electrones con sus an-tipartículas, los positrones, en niveles energéticos totales de hasta 500.000 millones de electronvol-tios (0,5 electronvoltios), dado que éste es el rango energético en el que esperamos acceder a muchos de los misteriosos fenómenos descritos. Al chocar los electrones y los positrones entre sí, liberan su energía dando lugar a nuevas partículas detecta-bles. En este marco se podrán realizar mediciones precisas y perspicaces. Se sabe que se necesita un cierto número de colisiones electrón-positrón, o una cierta “luminosidad”, para conseguir suficien-tes interacciones interesantes para la medición y el estudio. Estos factores marcan los parámetros de diseño que se deben establecer para el ILC.
El ILC es, por tanto, nuestra linterna para iluminar lo desconocido. Sabemos algunas de las cosas que estamos buscando: la materia oscura, el bosón de Higgs, las dimensiones adicionales y las superpartí-culas. También sabemos hacia dónde tenemos que dirigir la linterna para encontrarlas y, posiblemen-te, descubrir otras cosas por el camino que no esperábamos. Hasta ahora, nuestras linternas no tenían suficiente alcance, pero con la construcción del ILC dispondremos de una linterna que sí lo tiene.
20 | 21
electrones
Acelerador lineal principal
Anillos de
atenuación
La representación no es a escala
el iLc: guía paso a paso
¿Cómo funciona el ILC? Como cualquier aparato complejo, este acelerador de 31 km de longitud está constituido por varios sistemas, cada uno de los cuales constituye un elemento esencial para lanzar las partículas a una velocidad cercana a la de la luz. En esta guía paso a paso se explica el funcionamiento del ILC.
ElectronesPara producir electrones se dirigen pulsos de luz láser de alta intensidad y de 2 nanosegundos de duración sobre un blanco que emite miles de millones de electrones por pulso. Estos electrones se reúnen utilizando campos eléctricos y magnéticos para formar paquetes de partícu-las que se lanzan por el interior de un acelerador lineal de 250 m que eleva su energía hasta 5 GeV.
PositronesLos positrones, la contrapartida de los electrones en la antimateria, no existen en la Tierra de forma natural. Para producirlos, introducimos el haz de electrones de alta energía a través de un ondulador, con una disposición especial de imanes a través de los cuales los electrones siguen una trayectoria de montaña rusa. Este movimiento turbulento provoca que los electrones emitan una corriente de fotones de rayos X. Inmediatamente después de pasar por el ondulador, los electrones son devueltos al acelera-dor principal, mientras que los fotones obtenidos inciden sobre un blanco de aleación de titanio, donde se producen pares de electrones y positrones. Estos positrones se reúnen y se lanzan por el interior de su propio acelerador de 250 m y 5 GeV.
Los detectoresLos paquetes de electrones y positrones, que se mueven el uno hacia el otro a una ve-locidad cercana a la de la luz, colisionarán con una energía total aproximada de hasta alrededor de 500 GeV. Estas espectaculares colisiones se registrarán en dos gigantescos detectores de partículas con un sistema que permitirá su intercambio. Estos detectores funcionan como cámaras gigantes, que toman instantáneas de las partículas producidas en las colisiones entre electrón y positrón. Ambos detectores están equipados con las más modernas tecnologías, distintas pero complementarias, para registrar la valiosa informa-ción sobre cada partícula que se produce en los choques. Este doble sistema de detección permitirá realizar una comprobación cruzada esencial de los posibles y sutiles procesos y sus estados finales.
Fuente de positrones
03 | EL ILC: LA MÁQUINA PARA EL FUTURO
31 km
Anillos de
atenuación
Acelerador lineal principal
Positrones
Longitud = 310 campos
Imagen: form one®
Los anillos de atenuaciónCuando se crean, ni los paquetes de electrones ni los de positrones son suficientemente compactos para producir la elevada densidad necesaria para obtener numerosas colisiones en el interior de los detectores. Para resolver este problema, se han añadido dos anillos de atenuación de 6,7 km de circunferencia, uno para los electrones y otro para los positrones. En cada anillo, los paquetes son obligados a atravesar repetidas veces una serie de onduladores de tipo wig-gler que les obligan a “serpentear” de tal modo que se produce una compactación de los paquetes. Cada paquete permanecerá aproximadamente dos déci-mas de segundo en su anillo de atenuación, durante las cuales completará aproximadamente 10.000 vueltas antes de salir. Las partículas se mantienen en su trayectoria y centradas en sus órbitas circulares a lo largo del anillo mediante imanes. Tras salir de los anillos de atenuación, los paquetes tendrán unos pocos milímetros de longitud y serán más finos que un cabello humano.
Los aceleradores lineales principalesPara acelerar los paquetes de partículas hacia el punto de colisión se utilizarán dos aceleradores lineales principales, denominados linacs, uno para los electrones y otro para los positrones, cada uno de 12 km de longitud. Cada acelerador consta de una serie de estructuras huecas, denominadas cavidades superconduc-toras, agrupadas en el interior de una serie de recipientes refrigerados conocidos como criomódulos. Estos módulos utilizan helio líquido para refrigerar las cavidades hasta una temperatura de –271°C, una temperatura tan sólo ligeramente por encima del cero absoluto, para convertirlas en superconductoras. Las cavidades se llenan de ondas electromagnéticas que “empujan” las partículas, y las aceleran hasta niveles energéticos de 250 GeV. Cada paquete de electrones y positrones contendrá entonces una energía de aproximadamente 1 kJ, que corresponde a una potencia media del haz de aproximadamente 10 MW. Todo el proceso de producción de electrones y positrones, acondicionamiento de paquetes y aceleración se repetirá cinco veces por segundo.
Los sistemas de distribución del hazPara obtener una luminosidad máxima, los paquetes de partículas deben ser extremadamente pequeños. Una serie de imanes, dispuestos a lo largo de un sistema de distribución del haz de 2 km de longi-tud a cada lado del punto de colisión, enfocará los haces dentro de una altura del orden de unos pocos nanómetros y una anchura del orden de unos cien-tos de nanómetros. Los sistemas de distribución del haz eliminan partículas desprendidas de los haces para proteger los sensibles imanes y detectores. Los imanes dirigirán los electrones y los positrones para que colisionen frontalmente.
Fuente de electrones
Fuente de positrones
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Todos los criomódulos deben ser sometidos a una serie de pruebas exhaustivas.
03 | EL ILC: LA MÁQUINA PARA EL FUTURO
EnergíaLa magnitud de los niveles energéticos que se pueden alcanzar con el ILC va mucho más allá de lo que nunca se haya conseguido con ningún colisiona-dor electrón-positrón. Para obtener una energía de haz de hasta 250 GeV por partícula, lo que supone un total de 500 GeV por colisión, se requieren 167.000 millones de pilas AA estándar en serie.
Tecnología de superconductoresUna partícula cargada sólo se puede acelerar median-te un campo eléctrico. Para conferir la aceleración necesaria, se utilizarán cavidades superconductoras de niobio. El campo eléctrico de aceleración se establece suministrando pulsos eléctricos a las cavidades, que se hallan sumergidas en helio líquido a una temperatura de –271°C. Las cavidades se encuentran en el interior de recipientes rodeados de aislamiento térmico y a su vez dentro de un tanque exterior criostático que las aísla del exterior, donde habrá 300°C más de temperatura. Para aplicar a los electrones y positrones el impulso necesario participarán 8.000 cavidades por linac, cada una de aproximadamente 1 m de longitud, y colocadas en serie dentro de los criomódulos.
El gradiente de aceleraciónEn el caso de una partícula, la aceleración supone un aumento de velocidad y por tanto de energía. El pro-blema reside en conferirle la mayor energía posible en la distancia más corta. El gradiente de aceleración nos da una noción de hasta qué punto el acelerador puede aumentar la energía de la partícula en una longitud determinada, magnitud que normalmente se expresa en voltios por metro. Cuanto mayor sea este gradiente, más corto, y por lo tanto más barato, podrá resultar el ILC. Para una longitud dada del aparato, el gradiente de-termina la energía final de los electrones y positrones antes de la colisión. El límite superior de las cavidades superconductoras viene impuesto por cuestiones de física básica. Como es lógico, estamos intentando acercarnos al límite de las cavidades tanto como sea po-sible. Hace 15 años, el mayor gradiente posible rondaba los cinco millones de voltios por metro. Sin embargo, gracias al intenso I+D, esta cantidad ha aumentado drásticamente, y el gradiente que nos proponemos como objetivo para el ILC es de 31,5 millones de voltios por metro.
Principales retos cavidades supercon-ductoras de niobio
¿Cómo funcionan las cavidades superconductoras? En cada estructura hueca se aplica un campo eléctrico mediante un generador de tensión. La tensión de este campo varía con arreglo a una determinada frecuencia, correspondiente al rango de radiofre-cuencia o RF. Las partículas cargadas se ven sometidas a la fuerza del campo eléctrico y se aceleran. Si se fabrica la cavidad con un material supercon-ductor, como el niobio, y se enfría casi hasta el cero absoluto, se obtiene una cavidad superconductora RF. Estas ca-vidades conducen la corriente eléctrica prácticamente sin disipación de energía, lo que significa que casi toda la energía eléctrica se invierte en la aceleración del haz y no en calentar la propia estructura de aceleración.
Es lógico suponer que no resulta fácil diseñar y fabricar una cavidad perfecta. Cada cavidad de 1 m de longitud está constituida por nueve celdas, pulidas hasta una lisura superficial del orden de micras y sin impurezas de ningún tipo. Cualquier imperfección superficial apreciable o polvo podría hacerle perder su superconductividad, lo que impediría mantener el campo eléctrico necesario para la aceleración de las partículas. Las cavidades se dejan literalmente brillantes tras una serie de tratamientos y procesos químicos muy delicados.
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LuminosidadPara poder realizar descubrimientos es necesario obtener enormes cantidades de datos de alta calidad. Cuanto mayor sea la frecuencia de las colisiones entre electrones y positrones, mayor será la canti-dad de datos interesantes que se obtengan. Para ello se requiere una elevada luminosidad o tasa de colisiones por sección transversal. Los requisitos de luminosidad del ILC superan las 1034 colisiones electrón-positrón por centímetro cuadrado y por segundo, lo que representa un importante reto para su diseño. Esta elevada luminosidad se puede conseguir apiñando tantos electrones y positrones como sea posible en los haces más pequeños que se puedan formar, y asegurándose de que la colisión entre los haces sea frontal. En la práctica, esto signifi-ca comprimir más de 10.000 millones de electrones y positrones en haces de aproximadamente 5 nm de altura por 500 nm de anchura, para a continuación dirigir los paquetes hacia la colisión mediante avanzados sistemas de retroalimentación.
Los detectores de partículasLos detectores de partículas forman literalmente el núcleo del ILC. Los detectores encierran el punto de colisión de electrones y positrones y aportarán la información necesaria para desentrañar el universo cuán-tico. Con sus 20 m de longitud y con la altura y anchura necesarias para contener todos los componentes, cables y un potente imán, serán tan al-tos como un edificio de tres plantas y pesarán varios miles de toneladas.
Haciendo uso de las más modernas innovaciones tecnológicas, muchas de las cuales resultaban inconcebibles hace 10 años, los detectores regis-trarán cada colisión que tenga lugar y cada partícula que se produzca. Millones de canales electrónicos registrarán esta valiosa información y garantizarán que no se pierda ningún dato.
Gracias a esta información podremos reconstruir cada colisión y exami-nar cada “suceso” con la suficiente precisión para comprender lo que ha pasado. Este análisis nos permitirá determinar los sucesos que puedan contener partículas de materia oscura, partículas de Higgs, superpar-tículas o elementos completamente imprevistos, para a continuación estudiarlos con todo detalle. Los detectores del ILC medirán las colisiones con más precisión que nunca.
Imagen: Greg Stewart, SLAC
colaboración mundial en detectores
Durante más de una década, el estudio del programa de física, así como las labores de diseño del detector, su tecnología y el I+D relacionado, se han coordinado a través de un programa general denominado World Wide Study. El WWS celebra talleres anuales internacionales a los que asisten cientos de físicos. En el curso de estas reuniones, los participantes presentan y debaten nuevas situaciones dentro del campo de la física, y desarrollan y optimizan técnicas para descubrir y medir los nuevos fenómenos.
el detector de vértices
En el núcleo del enorme sistema de
detección del ILC se encuentra el detector
de vértices, un compacto dispositivo de
seguimiento, del tamaño aproximado de
una botella de vino, que rodea la región
de interacción. Formado por cilindros de
detectores de silicio, este dispositivo de
tecnología punta contendrá en total unos
mil millones de píxeles, equivalentes a
cientos de las mejores cámaras digitales.
Su funcionamiento se asemeja al de una
cámara o microscopio en tres dimensiones,
dado que mide con precisión de micras las
trayectorias de las partículas que salen. Es
posible que unas cuantas partículas de las
que colisionan contengan exóticos quarks
pesados, que duran una billonésima de se-
gundo antes de desintegrarse y convertirse
en formas conocidas de materia. Estos
quarks se delatan desintegrándose en los
vértices, muy cerca del punto de colisión.
Los quarks exóticos, visibles mediante
el detector de vértices, hacen de puntero
hacia nuevos campos de la física.
03 | EL ILC: LA MÁQUINA PARA EL FUTURO
Las cavidades superconductoras de 1 m de longitud están hechas de niobio puro, tratadas y probadas por científi-cos para garantizar un alto rendimiento en la aceleración de partículas.
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04 Un PROYecTO A eScALA MUndiALEl Colisionador Lineal Internacional será una de las empresas científicas más sofisticadas y de mayor enver-gadura del mundo. La planificación, diseño, financiación y construcción del ILC requerirá una participación y una organización a escala mundial. La comunidad mundial de física de partículas está acostumbrada a colaborar, pero el ILC requiere elevar esta colaboración a una escala nunca vista.
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04 | UN PROYECTO A ESCALA MUNDIAL
Un PROYecTO A eScALA MUndiAL
el Global design effort
El Comité Internacional para Futuros Acelerado-res (ICFA) encargó a uno de sus grupos, el Comité de Gestión del ILC (ILCSC), la planificación de la estrategia general para el ILC. Para llevar adelante esta estrategia, el ILCSC estableció a principios del año 2005 el Global Design Effort (GDE), un grupo internacional de más de 60 científicos e ingenieros. El equipo del GDE, liderado por Barry Barish, esta-blece la estrategia y las prioridades para los más de mil científicos e ingenieros de diversos laboratorios y universidades de todo el mundo que colaboran en este proyecto.
El equipo del GDE supervisó la elaboración del di-seño de referencia del ILC, que se concluyó a finales de 2005. Este diseño de referencia ha sido utilizado como fundamento del más detallado Informe de Diseño de Referencia (RDR), que ofrece una descrip-ción técnica del proyecto e incluye una estimación inicial de su coste. El RDR representa un importante hito en el camino para lograr un diseño técnico de-finitivo y una estimación más detallada de su coste.
El RDR constituye la base para identificar las priori-dades de la siguiente fase de ingeniería del proyecto del ILC, así como para desarrollar el programa mun-dial de I+D que conducirá a una posterior reducción de costes y a una mejora del rendimiento.
Paralelamente, el World Wide Study ha preparado un informe conceptual del detector. Este documen-to incluye las últimas impresiones sobre diseño conceptual, disposiciones y tecnologías de detecto-res de partículas.
El proceso del GDE ha sido supervisado por un grupo internacional de alto nivel compuesto por representantes de agencias de financiación de todo el mundo: Funding Agencies for Large Colliders (FALC). Las posteriores labores de planificación, incluidos los preparativos para la construcción, van a continuar efectuándose según la misma base de colaboración mundial.
consideraciones sobre el empla-zamiento
El diseño y el programa de I+D del acelerador y de los detectores del ILC están distribuidos por laboratorios y universidades de todo el mundo. En los años veni-deros esperamos que se llegue a un acuerdo a escala internacional sobre el emplazamiento del proyecto. Este gigantesco paso dependerá de los resultados de los estudios técnicos, así como de consideraciones efectuadas por los gobiernos de las naciones que expresen su interés en albergar el ILC.
Al elaborar el RDR, el GDE sometió a evaluación ejemplos de emplazamientos en América del Sur y del Norte, Asia y Europa. El emplazamiento debe ser capaz de acoger los 72 km del complejo de túneles necesarios para construir el aparato de 31 km de longitud, con secciones situadas hasta a varios cientos de metros bajo tierra. Habrá 13 puntos principales de acceso, con pozos y túneles de hasta 9 m de diámetro. En total se requieren más de 450.000 metros cúbicos de construcción subterránea, con largos túneles principales, estancias y salas para los detectores y el equipo auxiliar.
Las principales cuestiones que se deben tener en cuenta para cualquier emplazamiento incluyen la estabilidad geológica, la calidad de la roca en la que se perforan los túneles, las vibraciones mecánicas del suelo de los túneles debidas a actividad sísmica, el ruido “industrial” procedente de obras y tráfico, y los problemas planteados por la impermeabilización de los túneles frente a aguas subterráneas. En cada uno de los emplazamientos de muestra se realizaron esti-maciones de coste de los trabajos de ingeniería civil con la ayuda de expertos locales en construcción. A pesar de las variaciones de coste de una zona a otra para servicios concretos, el coste directamente asociado a la zona del emplazamiento resultó ser bastante similar en todos los casos.
La selección final del emplaza-miento deberá tener en cuenta las propuestas efectuadas por los dis-tintos países interesados en albergar la instalación. El procedimiento se deberá acordar entre los organismos de financiación internacionales
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Imagen: DESY
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¿Qué estimación se ha realizado?Se han estimado dos cantidades distintas: el VALOR de los elementos y la MANO DE OBRA (en persona-año). Estas cantidades son independientes de los métodos nacionales individuales de cálculo del coste, aunque se pueden traducir a cualquier moneda local o sistema de cálculo de coste. El VALOR total consta de dos componentes: el valor de los componentes compartidos y el valor de la acogida del aparato, dependiente del emplazamiento.
¿Qué son los componentes compartidos?Este término hace referencia a todos los componentes de alta tecnología y cualquier otra pieza que se pue-den obtener en todo el mundo y de los que se puede hacer una estimación a escala mundial. Por ejemplo, cualquier región del mundo tiene capacidad para suministrar muchos productos industriales necesa-rios para los aceleradores, tales como imanes, tubos de vacío, cables, electrónica de control y suministro energético.
¿Qué significa “dependiente del emplazamiento”?Esta expresión hace referencia a elementos como los túneles, de los que se realiza una estimación independiente para cada región. Los elementos dependientes del emplazamiento incluyen todas las labores de ingeniería civil y servicios públicos, tales como los sistemas de distribución eléctrica, los sistemas de refrigeración por agua y por aire, y los sistemas de seguridad. En general se prevé que el país anfitrión se haga cargo de todos estos costes.
¿Cómo se ha obtenido la estimación?En la estimación del coste han participado exper-tos técnicos y expertos especializados en costes de Europa, Asia y América. Se ha utilizado un proceso de estimación del valor que se está convirtiendo en el método estándar para los proyectos científicos internacionales, tales como el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (International Thermo-nuclear Experimental Reactor, ITER). Tomando como base los requisitos técnicos detallados del ILC, se ha determinado el valor de los componentes mediante una petición de oferta a escala mundial, con objeto de obtener la calidad requerida al coste más bajo razonable.
Tanto la MANO DE OBRA como el VALOR son esti-maciones aceptadas en todo el mundo para cada componente técnico. Estas cifras serán utilizadas por los países participantes para dividir su contribución de forma equitativa. Para determinar los costes, las agencias de financiación individuales pueden con-vertir las estimaciones de VALOR y MANO DE OBRA a sus propios sistemas de coste y a su divisa local.
estimación del coste del iLc
El Informe de diseño de referencia contiene la primera impresión técnica detallada del ILC. Uno de los elementos más importantes del desarrollo de este diseño de referencia consiste en alcanzar una suficiente comprensión de los costes para ofrecer una indicación fiable de la escala del proyecto. Igualmente importante resulta que esta estimación preliminar se utilice como guía en la fase final de ingeniería del proyecto. La estimación se utilizará para estudiar las opciones existentes para reducir el coste, aumentar el rendimiento y desarrollar un programa mundial de prioridades de I+D. También facilitará información importante sobre el valor relativo de los distintos componen-tes, lo que permitirá a cada colaborador evaluar su contribución.
Esta estimación implica una evaluación previa del coste del ILC, y servirá como base preliminar para continuar el diseño del ILC, aunque se proseguirá con el desarrollo de las estimaciones. No se debe interpretar, por tanto, como un coste final o completo del proyecto.
04 | UN PROYECTO A ESCALA MUNDIAL
¿Cuál es la estimación?El valor estimado de todos los componentes compar-tidos o paquetes de trabajo del ILC asciende a 4.790 millones de unidades de valor ILC. La estimación del coste del valor compartido es importante porque constituye un fundamento sólido para la determina-ción del valor relativo de los diversos componentes o paquetes de trabajo. Esto permitirá dividir equitati-vamente los compromisos dentro de la colaboración a escala mundial. Los componentes dependientes del emplazamiento y la construcción, que son elementos relacionados con los costes directos de la infraestruc-tura requerida para construir el aparato, se estiman en 1.830 millones de unidades de valor ILC. Se ha lle-gado a la conclusión de que los valores dependientes del emplazamiento son prácticamente idénticos para los emplazamientos de muestra en América, Asia y Europa. Los costes reales dependientes del emplaza-miento estarán en función de dónde se construye el aparato y de las instalaciones previamente existen-tes en la ubicación en cuestión. El valor total, tanto compartido como dependiente del emplazamiento, excluida la mano de obra, asciende por lo tanto a 6.620 millones de unidades de valor ILC. En esta estimación, una unidad de valor ILC corresponde a 1 dólar estadounidense (2007), 0,83 euros ó 117 yenes.
La mano de obra concreta requerida para el proyecto de construcción se estima en 14.000 años-persona ó 24 millones de horas-persona; en esta cantidad se incluye la administración y la gestión de proyectos, la instalación y las pruebas, con una base de 1.700 horas-persona por año-persona. La mano de obra se puede conseguir de distintas maneras, parte de ella puede ser contratada, mientras que otra parte puede proceder de mano de obra existente en las institucio-nes colaboradoras.
¿Qué se incluye y se excluye en la estimación?En el VALOR y la MANO DE OBRA se incluyen:• laconstruccióndeunaparatode500GeVydelos
elementos esenciales para una futura modificación opcional a 1 TeV;
• elequipamientodeherramientas,eldiseñofinalde ingeniería y la gestión de la construcción;
• laconstruccióndetodaslasinstalacionesconven-cionales, incluidos túneles, edificios en superficie, edificios para el conjunto del detector, salas subte-rráneas de experimentos y pozos de acceso; y
• lamanodeobraexplícita,incluidoelpersonaldegestión y administrativo.
En el VALOR y la MANO DE OBRA no se incluyen:• lasactividadesdeingeniería,diseñoopreparación,
que se deben efectuar antes de recibir la finan-ciación del proyecto, tales como I+D, estudios de prueba de concepto y pruebas de prototipos;
• elcostedeadquisicióndelosterrenosodelacondi-cionamiento subterráneo;
• lospropiosdetectores,quesefinanciaránatravésde un acuerdo independiente;
• lascontingencias;y• elposibleaumentodecostesporlainflación.
Infraestructura de construcción
Tecnología SCRF del linac
Distribución del haz al punto de interacción
Desglose aproximado de la estimación del ILC por categorías principales
Inyectores de elec-trones y positrones
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Los científicos involucrados en el proyecto ILC de América, Asia y Eu-ropa, celebran reuniones periódicas por videoconferencia.
Imagen: KEK
04 | UN PROYECTO A ESCALA MUNDIAL
Siguientes pasos
Desde que se tomó la decisión de utilizar tecnología de superconductores, a mediados de 2004, y con el posterior establecimiento del GDE a principios de 2005, el ILC ha experimentado un notable progreso. La publicación del RDR es el colofón de esta fase inicial y marca el comienzo de una nueva etapa.
Los siguientes pasos consistirán en desarrollar y mejorar el diseño mediante un I+D continuado e ingeniería de valor. Pretendemos realizar modifi-caciones técnicas que optimicen el rendimiento en lo que a costes se refiere. Utilizando la sólida base que supone el RDR este proceso puede durar entre dos y tres años, y conducirá a la elaboración de un detallado Informe de Diseño de Ingeniería en 2010. Este diseño constituirá un “patrón”, con una esti-mación de costes detallada, de forma que se pueda iniciar la construcción del ILC en el emplazamiento seleccionado a principios de la próxima década. Paralelamente, los equipos del World Wide Study continuarán perfeccionando el diseño de los detecto-res de partículas. A partir de la aprobación formal del proyecto, el plazo de construcción del complejo del acelerador y de los detectores se estima aproximada-mente en siete años.
Para elaborar una estimación, el GDE hizo uso de un proceso de contabilidad de valor que se está convirtiendo en un estándar en los proyectos científicos internacionales.
Imagen: DESY
2005 2006 2007 2008 2009 2010
PROYECTO GLOBAL DESIGN EFFORT
Configuración inicialDiseño de referencia
Diseño técnicoPrograma I+D del ILC
Expresión de interés para albergar el ILC
Gestión internacional
Posible calendario técnico para el ILC
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Imagen: KEK
05 | EL CAMINO POR RECORRER
La próxima generación
Para poder explorar el mundo subatómico, los físicos de altas energías necesitan desenvolverse en el mundo normal. Un físico corriente habrá podido estu-diar en la universidad con estadounidenses, alemanes o indios, habrá podido compartir su despacho con licenciados coreanos o japoneses, resuelto proble-mas en una escuela de verano con rusos y franceses, compartido amistad con británicos e italianos, proce-sado datos con canadienses y japoneses y asistido a reuniones en España y en China. Estas experiencias, junto con el conocimiento de las distintas culturas, se convierten en algo natural. Esta amplitud de miras acompaña a los licenciados en Física en sus trabajos, más allá de universidades y laboratorios. Más de la mitad de los estudiantes que obtienen su doctorado en el campo de la física de partículas acaban trabajan-do para la industria de altas tecnologías, instituciones financieras y empresas de tecnología de la informa-ción. La demanda de su talento se debe a sus amplias aptitudes, así como a sus conocimientos de física. Esta situación nos beneficia a todos.
En la actualidad ya existen varios cientos de estudian-tes en universidades y laboratorios de todo el mundo que, bajo la supervisión de científicos e ingenieros veteranos, participan en el ILC. Su colaboración cruza husos horarios, fronteras e idiomas. El ILC abre camino a futuras colaboraciones a escala mundial en ciencia, tecnología y más allá. Además, servirá para elevar la colaboración internacional en el campo de la ciencia y la tecnología a nuevos niveles y puede servir como modelo para los nacientes proyectos científicos de este nuevo siglo.
05 eL cAMinO POR RecORReR
Cada día cientos de miles de personas viajan en avión a lugares que desean conocer. A su vuelta traen consigo historias, impresiones y nuevas perspectivas sobre cosas cotidianas. Cada día nacen cientos de miles de niños. A medida que crecen, aprenden a hacer preguntas sobre el mundo que les rodea y sobre el lugar que ocupan en él. La curiosidad, el deseo de explorar y descubrir da impulso a nuestras vidas, y el establecimiento de los límites a nuestro deseo de conocimiento únicamente depende de nosotros mismos.
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Una rápida vía de progreso para la industria
Para llevar a cabo el proyecto del ILC, necesitamos colaboradores sólidos en el campo de la industria tecnológica. Empresas de todo el mundo tomarán parte en esta aventura, ya que es necesario fabricar millones de componentes, desde el más diminuto al más grande, desde el más delicado al más robusto. En muchos casos será preciso hacer avanzar aún más la tecnología en cuanto a precisión, fiabilidad y volumen de producción. Por ejemplo, se necesitan:• 16.000cavidadessuperconductorashechasdenio-
bio puro;• 2.000criomódulosparacontenerdichascavidades,
a temperaturas tan bajas como la del espacio exte-rior;
• 700klistrones,dispositivossimilaresalosmarcapa-sos, que alimentan de electricidad al aparato y que se encienden de forma sincronizada con temporiza-ción de precisión; y
• uncomplejodetúnelesdemásde70kmde longitud.
Estos son sólo algunos de los sorprendentes requisitos de este proyecto. Confiamos en que la industria esté a la altura de las circunstancias; ello servirá para que las empresas den un paso de gigante hacia nuevos productos y tecnologías que pueden cambiar nuestra vida cotidiana. Ya se están celebrando conversaciones entre científicos, ingenieros y representantes de la industria para determinar el modo de alcanzar estas metas. En los foros industriales del ILC de todo el mundo, los expertos de los colaboradores científicos e industriales de este proyecto cooperan en la actua-lidad para desarrollar prototipos, optimizar diseños para grandes producciones de componentes técnicos de alta calidad y determinar cómo cumplir las toleran-cias y las especificaciones. Y todo ello debe conseguir-se a un precio razonable.
La industria de todo el mundo jugará un papel primordial en la construcción del ILC, incluidos estos criomódulos.
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05 | EL CAMINO POR RECORRER
El ILC necesitará 16.000 cavidades superconductoras, que serán fabricadas por las industrias que colaboran en el proyecto.
Los componentes técnicos procedentes de todos los rincones del mundo tendrán que encajar entre sí a la perfección, porque a los haces de partículas les trae sin cuidado dónde se ha fabricado la cavidad de niobio. Los huecos, impurezas o imperfecciones de la cavidad podrían afectar a su superconductividad; en el mejor de los casos comprometerían su rendimien-to, y en el peor, afectarían a los logros científicos. Es preciso comprender los riesgos, reducirlos al mínimo y tenerlos en cuenta en el diseño industrial, con el fin de aumentar al máximo el rendimiento general.
La comunidad de la física de partículas está habitua-da a desarrollar herramientas especiales, y sabemos que gran parte de esta tecnología tiene importantes aplicaciones en otros campos más propios de la vida cotidiana. Un ejemplo conocido para todo el mundo es el de Internet, que ha operado una gran transfor-mación en la sociedad. Sin embargo, quizá un hecho mucho menos conocido, pero también de profunda importancia, es el uso aplicado en todo el mundo de aproximadamente 20.000 aceleradores. Alrededor de la mitad de ellos se utilizan en el diagnóstico y tra-tamiento clínicos, incluida la terapia oncológica. Las innovaciones médicas fundamentadas en estas tecno-logías continuarán teniendo una enorme influencia en nuestras vidas.
En este sentido, lo mismo es válido para las tecnolo-gías que se están utilizando en el ILC. En la actualidad se están programando y construyendo aceleradores basados en la tecnología de superconductores, para ser usados en muchas áreas de la ciencia y la medi-cina, tales como la próxima generación de instala-ciones para la obtención de imágenes por rayos X. El desarrollo que está teniendo lugar en cuestión de herramientas y técnicas de diagnóstico avanzado, sistemas de control y métodos para aislamiento de la vibración, por poner unos ejemplos, resulta clave para estas nuevas instalaciones.
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Sabemos dónde queremos llegar: las respuestas a las grandes preguntas científicas. Conocemos nuestro medio de transporte: el Colisionador Lineal Interna-cional. El siguiente hito en nuestro viaje es el Infor-me de Diseño de Ingeniería, que constituirá la base para las propuestas a los gobiernos relativas al em-plazamiento y la construcción del ILC. Incluso en los años que nos separan hasta este hito se producirán enormes avances: mejoraremos nuestra tecnología y el LHC ofrecerá el primer atisbo de la “escala Tera”. Los resultados harán volar nuestra imaginación. Como es natural, esto planteará nuevas preguntas, y el ILC será nuestro vehículo para comprender los hallazgos realizados con el LHC.
Cuando arranque la construcción del ILC, enormes excavadoras se abrirán camino a través de los más de 70 km de túneles y pozos. Los hitos que se deben cumplir son muchos y continuados: finalizar los túneles, perfeccionar los procesos de fabricación, entregar el primer criomódulo, instalar el último imán, introducir los detectores en la cueva, producir los primeros haces en el acelerador, las primeras colisiones, las primeras conclusiones científicas. Estamos ansiosos por llegar a este punto.
¿De qué piezas está hecha la materia? ¿Cómo encajan entre sí para dar forma al mundo? ¿Existen más dimensiones además de las tres que percibimos con nuestros sentidos? ¿Forman parte todas las fuerzas de la naturaleza de una única fuerza de cohesión? ¿De dónde proviene la materia? ¿De qué naturaleza es la materia oscura que une las galaxias entre sí?
Nuestro deseo es resolver estos misterios.
Más allá del horizonte
05 | EL CAMINO POR RECORRER
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