Per al gran públic, el CERN sovint evoca un nom mític més que no pas una realitat concreta. Què fa exactament l’organització en el dia a dia, com s’organitza la seva feina i què passa realment als seus edificis, centres tècnics i laboratoris subterranis?
El CERN és un centre de recerca internacional dedicat a la comprensió de l’estructura fonamental de la matèria i de les lleis de l’Univers. Els seus científics estudien de què estan constituïdes les partícules, com interactuen les forces i què va passar just després del Big Bang. En el dia a dia, el CERN funciona com un vast ecosistema científic i tècnic. Milers de físics, enginyers, informàtics, tècnics, electricistes, especialistes en criogènia, experts en seguretat i personal administratiu col•laboren per dissenyar, explotar i mantenir infraestructures de recerca extremadament complexes. Al cor de les activitats del CERN hi ha el complex d’acceleradors, en particular el Gran col•lisionador d’hadrons, un túnel de 27 km, l'accelerador més potent mai construït en el qual les partícules s’acceleren fins a una velocitat propera a la de la llum abans de col•lidir. Aquestes col•lisions recreen condicions similars a les que existien just després del Big Bang, i això permet als investigadors estudiar partícules rares i fenòmens físics fonamentals. Els quatre detectors més grans, com ara ALICE, ATLAS, CMS i LHCb, registren els resultats d’aquestes col•lisions, que són analitzats per científics d’arreu del món.
Una gran part del treball del CERN es desenvolupa sota terra. Sota la superfície, no només s’hi troben els túnels dels acceleradors i les cavernes dels detectors, sinó també galeries tècniques que contenen sistemes elèctrics, infraestructures de refrigeració, xarxes de fibra òptica i equips de seguretat indispensables per al funcionament de les màquines les 24 hores del dia. En superfície, el CERN s’assembla a un campus internacional repartit entre Suïssa i França. Inclou tallers, oficines, centres de dades, sales de control i instal•lacions per a visitants. Als centres de control se supervisa permanentment el funcionament dels acceleradors, mentre que als tallers es fabriquen i proven components altament especialitzats amb una precisió extrema.
En resum, el CERN no és un laboratori aïllat i misteriós, sinó una gran col•laboració internacional on la ciència, l’enginyeria i la tecnologia es troben cada dia per explorar algunes de les preguntes més fonamentals sobre l’Univers.
Quina és avui, segons vostè, la gran qüestió sobre l’Univers que continua sent la més oberta, aquella que podria, si trobés una resposta, canviar profundament la nostra comprensió del real?
Una de les grans qüestions obertes actualment concerneix la naturalesa de la matèria fosca (Dark Matter). Sabem que existeix perquè n’observem els efectes gravitacionals sobre les galàxies, però encara no sabem de què està constituïda. Si aconseguíssim identificar la matèria fosca, això podria transformar profundament la nostra comprensió de la física fonamental i de la composició de l’Univers. Podria revelar partícules completament noves, noves forces de la natura, o fins i tot indicar que la nostra teoria actual de la gravitació és incompleta. En molts aspectes, la matèria fosca se situa a la intersecció de la cosmologia i la física de partícules, i resoldre aquest misteri podria obrir la porta a una nova visió de la realitat.
Què passa realment a l’interior del Gran col•lisionador d’hadrons? Què ens permet veure això que no podríem observar d’una altra manera?
A l’interior del Gran col•lisionador d’hadrons, dos eixos de partícules es desplacen a una velocitat propera a la de la llum abans de ser fets col•lidir. En aquest sentit, el LHC actua com un microscopi de l’Univers a les seves escales més petites.
Cada gran descobriment sembla ser un moment de festa al CERN. Hem vist, al centre de control del CERN, les ampolles de xampany, cadascuna de les quals representa un descobriment important, i n’hi ha moltíssimes! Quins són, segons vostè, els descobriments més destacats realitzats fins ara?
Des de la seva creació, el CERN ha estat un pioner en el camp de la física de partícules, marcant la història amb descobriments i innovacions importants. Entre els exemples, els següents:
L’any 1983 hi va haver el descobriment de les partícules W i Z. Aquestes dues partícules elementals són els vectors de la força feble. Simon van der Meer i Carlo Rubbia van rebre el Premi Nobel de Física per aquest descobriment el 1984.
L’any 1989 va tenir lloc el naixement del World Wide Web. Tim Berners-Lee, científic del CERN, va desenvolupar el World Wide Web, revolucionant la manera com la informació es comparteix i és accessible a escala mundial.
L’any 2012 hi va haver el descobriment del bosó de Higgs. El descobriment del bosó de Higgs al Gran col•lisionador d’hadrons va confirmar una part essencial del Model estàndard de la física de partícules, obtenint un reconeixement mundial.
Les contribucions del CERN s’estenen, però, molt més enllà de la física de partícules. Les tecnologies innovadores desenvolupades al CERN han portat a avenços en camps com la informàtica, la imatge mèdica i el processament de dades.
Quin proper descobriment podria tenir el mateix impacte que aquests descobriments importantíssims?
Tot i que és difícil predir quina serà la “propera gran descoberta”, és probable que un dels grans avenços vingui del descobriment de partícules de matèria fosca, de l’aparició de nova física més enllà del Model estàndard o de la comprensió de l’asimetria entre matèria i antimatèria.
Quin és avui l’ordre de magnitud del pressupost anual del CERN, i com s’arbitra entre dues prioritats que de vegades semblen concurrents: construir màquines cada vegada més potents o imaginar noves aproximacions experimentals i teòriques?
El CERN explora totes les maneres de fer física fonamental. A través del procés de l’Estratègia europea per a la física de partícules, la comunitat científica expressa quins són els àmbits de recerca que cal prioritzar, així com les màquines necessàries per aconseguir-ho. El CERN té un pressupost anual d’aproximadament 1.000 milions d’euros. Més enllà dels grans acceleradors, el CERN desenvolupa un programa de recerca i desenvolupament per a altres tipus d’acceleradors, com ara el col•lisionador de muons o AWAKE. El CERN també duu a terme un estudi per explotar plenament el potencial científic del seu complex d’acceleradors, anomenat “Physics Beyond Colliders”.
En una època en què les expectatives socials són elevades, com es pot justificar davant del públic i dels responsables polítics la inversió en una ciència que explora l’invisible, el fonamental i el molt llarg termini?
Invertir en ciència fonamental com la recerca del CERN es justifica perquè ens ajuda a comprendre les lleis fonamentals de la natura, qüestions sobre la composició de l’Univers i el seu funcionament. Tot i que els resultats sovint són a llarg termini, aquest tipus de recerca amplia el coneixement humà i proporciona les bases de descobriments futurs. També es justifica perquè la història mostra que la física fonamental sovint condueix a beneficis tecnològics i socials inesperats. Les innovacions vinculades al CERN inclouen avenços en imatge mèdica, informàtica i processament de dades a gran escala. Així, fins i tot una recerca centrada en l’“invisible” i la teoria pot, amb el temps, generar aplicacions concretes i un valor durador per a la societat.
Un altre argument important és l’educació i el capital humà. El CERN forma milers d’estudiants, enginyers, tècnics i científics d’arreu del món. Molts després posen les seves competències al servei de sectors com la salut, les tecnologies digitals, la finances, l’energia, l’aeroespacial i altres indústries. En aquest sentit, invertir en ciència fonamental també significa invertir en persones altament qualificades i en els futurs ecosistemes d’innovació.
El LHC s’acosta al final del seu Run 3 abans de donar pas a una llarga fase de transformació cap al High-Luminosity LHC. Per a un lector no especialista, què canviarà concretament aquest augment de potència: més col•lisions, més precisió o la possibilitat de detectar finalment fenòmens que avui encara són invisibles?
El projecte del Gran col•lisionador d’hadrons d’alta lluminositat (HiLumi LHC) té com a objectiu transformar el Gran col•lisionador d’hadrons (LHC) per augmentar el potencial de descobriments després del 2030. L’objectiu és portar el rendiment del LHC al màxim, augmentant la lluminositat integrada en un factor 10 respecte del seu valor nominal. La lluminositat és un indicador important del rendiment d’un accelerador: és proporcional al nombre de col•lisions que es produeixen durant un període de temps determinat. Com més alta és la lluminositat, més dades recullen els experiments, cosa que els permet observar processos rars.
El LHC d’alta lluminositat, que hauria d’estar operatiu a mitjan dècada del 2030, permetrà als físics estudiar amb més detall els mecanismes coneguts, com el bosó de Higgs, i observar possibles fenòmens nous molt rars. A tall d’exemple, el LHC d’alta lluminositat podria produir uns 380 milions de bosons de Higgs, en comparació amb els aproximadament 55 milions de bosons de Higgs produïts des de l’inici del LHC. El seu desenvolupament es basa en la substitució d’1,2 quilòmetres del LHC per components totalment innovadors.
El projecte del Future Circular Collider, un anell molt més gran que el LHC, forma part actualment dels grans debats estratègics en física de partícules. Per què es vol construir una màquina encara més gran? Per què els futurs grans descobriments exigeixen un salt d’escala?
La idea del Future Circular Collider està motivada pel fet que el bosó de Higgs és una partícula diferent de totes les que coneixem. Podria constituir una porta d’entrada cap a una nova física, però per comprendre’l correctament calen mesures molt més precises que les que pot proporcionar el Gran col•lisionador d’hadrons. Això justifica per si sol una fase anomenada de «fàbrica de Higgs» per a una màquina d’aquest tipus. A més, la història suggereix que els progressos en física de partícules sovint provenen de l’exploració de nivells d’energia més elevats. El Model estàndard funciona extremadament bé, però també és incomplet, no explica, per exemple, la matèria fosca, les masses dels neutrins o l’asimetria entre matèria i antimatèria. Un col•lisionador més potent augmentaria les possibilitats de produir directament noves partícules relacionades amb aquests misteris.
