El gran proyecto europeo de física de partículas

EL CERN

En 2024 celebramos el 70.º aniversario del Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN) creado el 29 de septiembre de 1954 por doce países europeos. Se eligió como sede del nuevo laboratorio internacional el municipio suizo de Meyrin, cercano a Ginebra. La gestación del CERN fue difícil y compleja con múltiples actores (científicos, administradores, diplomáticos o gobiernos, con intereses no siempre coincidentes), entre los que la Unesco jugó un papel primordial. Según la página web del CERN, la primera idea de un gran laboratorio conviene atribuirla a Louis de Broglie, nobel de física en 1929, en la Conferencia Europea de la Cultura en Lausana en 1949. La física de partículas elementales, que estudia los componentes básicos de la materia, comenzaba a ser dominada por máquinas cada vez más grandes y más caras: los aceleradores. Los países europeos, devastados por la guerra, no podían competir con EE.UU. de manera aislada; decidieron unirse. En 1957, el CERN puso en marcha un pequeño acelerador, el sincrociclotrón de 600 MeV, y en 1959 se inauguró el protón-sincrotrón que con sus haces de protones de 28 GeV permitía a Europa competir de tú a tú con EE.UU.

El grupo de Valencia de Joaquín Catalá

Años antes, en septiembre de 1950, se iniciaba en Valencia otra aventura más local y personal. Joaquín Catalá, catedrático de Física en la Universitat de València, regresó de una estancia de un año en la Universidad de Bristol (Inglaterra), pensionado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), y creó un grupo de investigación. Traía una técnica nueva de detección de partículas, la emulsión nuclear, bien adaptada a la realidad española –sencilla y barata–, con la que se habían logrado excelentes resultados científicos plasmados en la concesión del Premio Nobel de Física de 1950 a Cecil F. Powell, líder del grupo de Bristol. ¡Imposible estar en mejor sitio para hacer buena física! De finales de los años cuarenta a los cincuenta tuvo lugar la edad de oro de las emulsiones.

Pronto el grupo fue el que más publicaba en la revista Anales de Física y Química, y las numerosas tesis realizadas se concretaron en cátedras para sus discípulos en las universidades de Valladolid, Murcia, Madrid, Granada, Santiago de Compostela y Santander, en un modelo de difusión del saber contrario al habitual: no del centro a la periferia, sino al contrario.

El primero acelerador del CERN fue el sincrociclotrón de 600 MeV, que empezó a funcionar en 1957 y estuvo en funcionamiento durante 33 años. Actualmente, es uno de los puntos de las visitas guiadas que se realizan en el CERN.

España y el CERN: un viaje de ida y vuelta (1961-1969)

España no participó en la creación del CERN, pero el presidente de la Junta de Energía Nuclear (JEN, creada en 1951), José María Otero Navascués, logró convencer al gobierno de las ventajas de pertenecer a este organismo, cuyo consejo aprobó el 8 de diciembre de 1960 el ingreso de España y Austria por unanimidad, efectivo a partir de 1961.

El gran escollo de la negociación fue la cuota: una aportación especial de 2.700.000 francos suizos pagadera en tres años, más la cuota anual para 1961 de 2.816.300 francos suizos. España se convirtió en el quinto mayor contribuyente del CERN, 4,16 %, a un nivel similar a Suecia (4,10 %) y Bélgica (4,02 %). La cuota era enorme en comparación con la inversión en ciencia dentro del propio país. La tensión creada tardaría muchos años en resolverse. En su mayor parte porque la entrada tuvo un componente político, mucho más decisivo que el científico, dentro del programa de ingreso de España en organismos internacionales: en 1953 firma los Acuerdos de Cooperación y Defensa con EE.UU., entra en la ONU en 1955, y en el FMI y en el Banco Mundial en 1958. La visita del presidente Eisenhower en 1959 supuso el momento icónico de la apertura al exterior del régimen franquista. 

En el aspecto científico, la situación nacional era muy pobre. El grupo de Valencia, renombrado Instituto de Física Corpuscular (IFIC) en 1964, era el único existente en el país en física de partículas elementales. De siete personas que lo componían en 1950 había pasado a tener veinte en 1960.

En 1966 se creó el Comité Nacional de Altas Energías, en el cual Catalá actuó como presidente ejecutivo y Otero como presidente de honor. También el Instituto de Estudios Nucleares (IEN) para «coordinar la investigación y la enseñanza relacionadas con la energía nuclear», con Otero como presidente de su patronato. El físico Antoni Lloret, formado en Francia, llegó para liderar el grupo de física de partículas elementales que estaba iniciando la JEN. Madrid y Valencia colaboraron en experimentos en el CERN en cámara de burbujas, la técnica de moda entonces.

Pero la realidad era obstinada. Ya en junio de 1963, España solicitó una rebaja de la cuota de un 50 % para los siguientes tres años. Como afirmó Catalá en 1967: «La participación de España en el CERN ha sido hasta la fecha más honorífica que efectiva, centrándose en el pago de una cuota totalmente desproporcionada […] con las subvenciones recibidas por los centros existentes en la nación».

La situación se volvió cada vez más insostenible. Hubo un postrero intento de salvarla: España, en competición con varios países miembros, se postuló para albergar el futuro acelerador del CERN, el supersincrotrón de protones de 300 GeV, en El Escorial. Al no tener éxito, España se retiró del CERN en 1969. Lloret regresó a Francia, el grupo de cámara de burbujas del IFIC desapareció y su núcleo (personal y equipo) se incorporó a la JEN.

El CERN, por el contrario, mejoraba cada día. Construyó el primer colisionador (haces de partículas en direcciones opuestas que chocan frontalmente) de protones en el mundo, el ISR, inaugurado por Werner Heisenberg en 1971. Y se decidió que el supersincrotrón de protones se haría cerca de Ginebra, mientras que EE.UU. construía uno parecido en Fermilab (Chicago).

La travesía del desierto de la física de partículas elementales experimental en España: 1969-1983

Joaquín Catalá, tras obtener una cátedra en Madrid en 1973, dejó la física de partículas. Un discípulo suyo, Eugenio Villar, formó un grupo de emulsiones que sería el germen del actual Instituto de Física de Cantabria (IFCA) cuando obtuvo una cátedra en la recién creada Universidad de Cantabria. El IFIC, sin su fundador, continuó con experimentos con emulsiones. El grupo de la JEN, gracias a una mayor financiación por parte del IEN y a un liderazgo más activo, logró aumentar su personal, así como su nivel instrumental.

Mientras, en Ginebra, el supersincrotrón de protones se puso en marcha en 1976, pero incrementado a 400 GeV de energía. Tras la reconversión en 1980 del supersincrotrón en un colisionador protón-antiprotón llegó el gran éxito: en 1983 se anunciaba el hallazgo de los bosones W y Z⁰, brillante confirmación del modelo estándar de física de partículas. Al CERN se le habían «escapado» anteriormente la existencia de dos nuevos quarks, el cuarto (1974) y el quinto (1977), que se lograron en EE.UU. (hoy sabemos que, con técnicas adecuadas, se hubieran podido detectar en el ISR). Carlo Rubbia y Simon van der Meer, ambos del CERN, obtuvieron por ello el Nobel de Física de 1984. El CERN era por fin el primer centro mundial de física de partículas.

Inserción del detector semiconductor de trazas (SCT) de ATLAS, en cuya construcción participó el Instituto de Física Corpuscular de València, dentro de su jaula de Faraday, construida en el IFIC.

El reingreso en el CERN con la participación en el LEP: 1983

Con la llegada de la democracia se replanteó la financiación en España de la I+D, baja en comparación con los países europeos de nuestro entorno. Afortunadamente se tuvo muy en cuenta el pasado para no reproducir los errores que nos obligaron a dejar el CERN. Entre otras medidas, se aprobó un Plan General de Altas Energías para participar en el nuevo colisionador electrón-positrón (LEP) del CERN para estudiar el modelo estándar. El LEP, alojado en un túnel de 26 km bajo suelo francés y suizo, se inauguró en 1989 y estuvo operativo hasta el año 2000.

El plan dedicó, además de la cuota, una cantidad importante para potenciar los grupos existentes en España (JEN, IFIC y Santander) y desarrollar otros nuevos (Barcelona, Zaragoza, Madrid y Santiago) que hoy se pueden homologar con los de los mejores países europeos. Ello permitió una buena participación española en tres experimentos del LEP (ALEPH, DELPHI y L3). En 1985 el IFIC se convirtió en centro mixto de la Universitat y del CSIC, con personal de ambas instituciones. De las siete personas de 1950 se había pasado a cuarenta.

El LHC: 2008-2040

En 1994 el CERN aprobó la construcción del Large Hadron Collider (LHC), un colisionador de protones de 14 TeV de energía, con cuatro grandes experimentos (ATLAS, CMS, LHCb y ALICE), en el mismo túnel que ocupaba el LEP, con notable participación de los grupos españoles en los tres primeros. El IFIC participó desde el inicio en ATLAS, con la firma en 1992 de la carta de interés y en 1995 de la propuesta del diseño técnico, y contribuyó así a la construcción del detector de trazas y del calorímetro hadrónico.

En 2008 se puso en marcha el LHC con el objetivo de abordar cuestiones como qué da masa a la materia, por qué la naturaleza prefiere la materia a la antimateria o cómo evolucionó la materia desde los primeros instantes de la existencia del universo. En 2009 se llevaron a cabo las primeras colisiones, que convirtieron el LHC en el acelerador de partículas de mayor energía del mundo. En la actualidad su energía ha alcanzado 13,6 TeV con 180.000 millones protones circulando en cada uno de los 2.400 paquetes que componen sus haces.

Hasta el momento, el mayor logro del LHC ha sido el descubrimiento en 2012 del esquivo bosón de Higgs, la partícula que faltaba para completar el modelo estándar. El bosón de Higgs da su masa a otras partículas fundamentales, y su búsqueda ha sido uno de los principales objetivos del proyecto. François Englert y Peter Higgs lograron el Nobel de Física en 2013 por haber predicho teóricamente su existencia. En 2026, el LHC se detendrá para preparar una nueva fase (HL-LHC) que aumentará en diez veces el número de colisiones respecto al diseño original. Se espera que tome datos hasta más allá de 2040.

España continúa siendo el quinto país en aportación al CERN con unos ochenta millones de francos suizos. El número de usuarios españoles ronda los 440, de los que unos 120 son miembros del IFIC. Pese al gran crecimiento de la comunidad científica y su impacto, aún no hemos logrado el nivel de otros países de nuestro entorno, ya que solo somos el 3,7 % de los usuarios del CERN.

Tras el reingreso de España en el CERN en 1983, los grupos de investigación de nuestro país han podido participar en gran parte de los experimentos del CERN, como los llevados a cabo e lo colisionador electrón-positrón (LEP) o en el más reciente Large Hadron Collider (LHC). En la imagen, Jacques Lefrançois, Jack Steinberger, Lorenzo Foà y Pierre Lazeyras en 1988 durante la inauguración del detector ALEPH en el LEP.

El CERN en la sociedad

Gracias a las tecnologías desarrolladas en el CERN, centradas en aceleradores, detectores e informática, se han podido realizar mejoras en muchos campos en beneficio de la sociedad. El ejemplo más conocido es la World Wide Web (web), inventada en el CERN en 1990. Esta interfaz basada en hipertexto se creó inicialmente para satisfacer las necesidades de los físicos de intercambiar todo tipo de datos en diferentes formatos. La web se ha expandido a más de 100 millones de sitios en el globo, con cientos de millones de usuarios. Es un extraordinario ejemplo de cómo la transferencia de tecnología cambia drásticamente la comunicación y el comportamiento sociales. Menos conocidos son los desarrollos en detectores y aceleradores que mejoran las herramientas de diagnóstico médico o radioterapia personalizada de los que se benefician millones de personas. Como ejemplo, en 1977 el CERN obtuvo su primera imagen con una cámara de tomografía por emisión de positrones (PET), una técnica hoy común en el diagnóstico médico.

La participación española en el CERN produce un gran retorno tecnológico y de experiencia en nuevas tecnologías para la industria española. Desde 2013, la cifra de retorno directo supera los treinta millones de euros anuales.

El futuro

Cuando en 1993 el Congreso de EE.UU. canceló la construcción del supercolisionador superconductor (80 km), «cedió» al CERN la primacía en física de partículas. ¿La mantendrá?

El futuro del CERN a largo plazo lo define la estrategia europea en física de partículas que prioriza al HL-LHC y recomienda un colisionador de electrones y positrones que sea una «fábrica» de bosones de Higgs, de 100 km de longitud (FCC-ee). Otras máquinas se proponen en diferentes países (ILC en Japón, CEPC en China…). Todas suponen grandes retos tecnológicos y económicos. Incluso la más avanzada no estaría lista antes de 2035. No es absurdo pensar que el centro de la física de partículas continúe en Europa ni que se desplace a otro continente.

¿Y el IFIC? Con casi 400 personas y la etiqueta de Centro de Excelencia Severo Ochoa, contempla con optimismo el futuro y prepara su 75.º aniversario en 2025.