El gran projecte europeu de física de partícules

EL CERN

En 2024 celebrem el 70è aniversari del Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN), creat el 29 de setembre de 1954 per dotze països europeus. Es va triar com a seu del nou laboratori internacional el municipi suís de Meyrin, pròxim a Ginebra. La gestació del CERN va ser difícil i complexa amb múltiples actors (científics, administradors, diplomàtics o governs, amb interessos no sempre coincidents) entre els quals la Unesco va jugar un paper primordial. Segons la pàgina web del CERN, la primera idea d’un gran laboratori convé atribuir-la a Louis de Broglie, Nobel de Física en 1929, en la Conferència Europea de la Cultura a Lausana en 1949. La física de partícules elementals, que estudia els components bàsics de la matèria, començava a ser dominada per màquines cada vegada més grans i més cares: els acceleradors. Els països europeus, devastats per la guerra, no podien competir amb els EUA de manera aïllada i van decidir unir-se. En 1957, el CERN va posar en marxa un petit accelerador, el sincrociclotró (SC) de 600 MeV, i en 1959, es va inaugurar el sincrotró de protons (PS) que amb els seus feixos de protons de 28 GeV permetia a Europa competir de tu a tu amb els EUA.

El grup de València de Joaquín Catalá

Uns anys abans, el setembre de 1950, s’iniciava a València una altra aventura més local i personal. Joaquín Catalá, catedràtic de Física en la Universitat de València, va tornar d’una estada d’un any en la Universitat de Bristol (Anglaterra), pensionat pel Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC), i hi va crear un grup de recerca. Portava una tècnica nova de detecció de partícules, l’emulsió nuclear, ben adaptada a la realitat espanyola: senzilla i barata, amb la qual s’havien aconseguit excel·lents resultats científics plasmats en la concessió del Premi Nobel de Física de 1950 a Cecil F. Powell, líder del grup de Bristol. No hi havia millor lloc on fer bona física! De finals dels anys quaranta als cinquanta va esdevenir-se l’edat d’or de les emulsions.

Prompte el grup va ser el que més publicava en la revista Anales de Física y Química, i les nombroses tesis realitzades es van concretar en càtedres per als seus deixebles en les universitats de Valladolid, Múrcia, Madrid, Santiago de Compostel·la i Santander, en un model de difusió del saber contrari a l’habitual: no del centre a la perifèria, sinó al contrari.

El primer accelerador del CERN va ser el sincrociclotró de 600 MeV, que va començar a funcionar en 1957 i va estar en funcionament durant 33 anys. Actualment, és un dels punts de les visites guiades que es fan en el CERN.

Espanya i el CERN: un viatge d’anada i tornada (1961-1969)

Espanya no va participar en la creació del CERN, però el president de la Junta d’Energia Nuclear (JEN, creada en 1951), José María Otero Navascués, va aconseguir convèncer el govern dels avantatges de pertànyer a aquest organisme, el consell del qual va aprovar el 8 de desembre de 1960 l’ingrés d’Espanya i Àustria per unanimitat, efectiu a partir de 1961.

El gran escull de la negociació va ser la quota: una aportació especial de 2.700.000 francs suïssos pagable en tres anys, més la quota anual per a 1961 de 2.816.300 francs suïssos. Espanya es va convertir en el cinquè contribuent més gran del CERN, 4,16 %, a un nivell similar a Suècia (4,10 %) i Bèlgica (4,02 %). La quota era enorme en comparació amb la inversió en ciència dins del mateix país. La tensió creada tardaria molts anys a resoldre’s. Sobretot perquè l’entrada va tenir un component polític, molt més decisiu que el científic, dins del programa d’ingrés d’Espanya en organismes internacionals: en 1953 signa els Acords de Cooperació i Defensa amb els EUA, entra en l’ONU en 1955, en l’FMI i en el Banc Mundial en 1958. La visita del president Eisenhower en 1959 va suposar el moment icònic de l’obertura a l’exterior del règim franquista.

En l’aspecte científic, la situació nacional era molt pobra. El grup de València, reanomenat Institut de Física Corpuscular (IFIC) en 1964, era l’únic existent en el país en física de partícules elementals. De set persones que l’integraven en 1950 havia passat a tenir-ne vint en 1960.

En 1966 es va crear el Comitè Nacional d’Altes Energies, en el qual Catalá va actuar com a president executiu i Otero com a president d’honor. També l’Institut d’Estudis Nuclears (IEN) per a «coordinar la investigació i l’ensenyament relacionats amb l’energia nuclear», amb Otero com a president del seu patronat. El físic Antonio Lloret, format a França, va arribar per liderar el grup de física de partícules elementals que estava iniciant la JEN. Madrid i València van col·laborar en experiments en el CERN en cambra de bombolles, la tècnica de moda llavors.

Però la realitat era obstinada. Ja el juny de 1963 Espanya va sol·licitar una rebaixa de la quota d’un 50 % per als següents tres anys. Com va afirmar Catalá en 1967: «La participació d’Espanya en el CERN ha sigut fins a la data més honorífica que efectiva, centrant-se en el pagament d’una quota totalment desproporcionada […] amb les subvencions rebudes pels centres existents en la nació.»

La situació es va tornar cada vegada més insostenible. Va haver-hi un darrer intent de salvar-la: Espanya, en competició amb diversos països membres, es va proposar per a albergar el futur accelerador del CERN, el supersincrotró de protons de 300 GeV, a El Escorial. Com que no va tenir èxit, Espanya es va retirar del CERN en 1969. Lloret va tornar a França, el grup de cambra de bombolles de l’IFIC va desaparèixer i el seu nucli (personal i equipament) es va incorporar a la JEN.

El CERN, per contra, millorava cada dia. Va construir el primer col·lisionador (feixos de partícules en direccions oposades que xoquen frontalment) de protons en el món, l’ISR, inaugurat per Werner Heisenberg en 1971. I es va decidir que el supersincrotró de protons es faria prop de Ginebra, mentre que els EUA en construïen un de semblant a Fermilab (Chicago).

La travessia del desert de la física de partícules elementals experimental a Espanya: 1969-1983

Joaquín Catalá, després d’obtenir una càtedra a Madrid en 1973, va deixar la física de partícules. Un deixeble seu, Eugenio Villar, va formar un grup d’emulsions que seria el germen de l’actual Institut de Física de Cantàbria (IFCA), quan va obtenir una càtedra en la Universitat de Cantàbria, acabada de crear. L’IFIC, sense el seu fundador, va continuar amb experiments amb emulsions. El grup de la JEN, gràcies a més finançament per part del IEN i a un lideratge més actiu, va aconseguir augmentar el seu personal, així com el seu nivell instrumental.

Mentrestant, a Ginebra, el supersincrotró de protons es va posar en marxa en 1976, però incrementat a 400 GeV d’energia. Després de la reconversió en 1980 del supersincrotró a un col·lisionador protó-antiprotó va arribar el seu gran èxit: en 1983 s’anunciava la troballa dels bosons W i Z⁰, una brillant confirmació del model estàndard de física de partícules. Al CERN se li havien «escapat» anteriorment l’existència de dos nous quarks, el quart (1974) i el cinquè (1977), que es van aconseguir als EUA (avui sabem que, amb tècniques adequades, s’hagueren pogut detectar en l’ISR). Carlo Rubbia i Simon van der Meer, tots dos del CERN, van obtenir per això el Nobel de Física de 1984. El CERN era per fi el primer centre mundial de física de partícules.

Inserció del detector semiconductor de traces (SCT) d’ATLAS, en la construcció del qual va participar l’Institut de Física Corpuscular de València, dins de la seua gàbia de Faraday, construïda a l’IFIC.

El reingrés en el CERN amb la participació en el LEP: 1983

Amb l’arribada de la democràcia es va replantejar el finançament a Espanya de l’R+D, baix en comparació amb els països europeus del nostre entorn. Afortunadament, es va tenir molt en compte el passat per a no reproduir els errors que ens van obligar a deixar el CERN. Entre altres mesures, es va aprovar un Pla General d’Altes Energies per a participar en el nou col·lisionador electró-positró (LEP) del CERN per a estudiar el model estàndard. El LEP, allotjat en un túnel de 26 km sota sòl francès i suís, es va inaugurar en 1989 i va estar operatiu fins a l’any 2000.

El pla va dedicar, a més de la quota, una quantitat important per a potenciar els grups existents a Espanya (JEN, IFIC i Santander) i desenvolupar-ne uns quants de nous (Barcelona, Saragossa, Madrid, Santiago) que avui es poden homologar amb els dels millors països europeus. Això va permetre una bona participació espanyola en tres experiments del LEP (ALEPH, DELPHI i L3). En 1985, l’IFIC es va convertir en centre mixt de la Universitat i del CSIC, amb personal de totes dues institucions. De les set persones de 1950, aleshores ja n’eren quaranta.

L’LHC: 2008-2040

En 1994, el CERN va aprovar la construcció del Large Hadron Collider (LHC), un col·lisionador de protons de 14 TeV d’energia, amb quatre grans experiments (ATLAS, CMS, LHCb i ALICE), en el mateix túnel que ocupava el LEP, amb notable participació dels grups espanyols en els tres primers. L’IFIC va participar des de l’inici en ATLAS, amb la signatura en 1992 de la carta d’interès i en 1995 de la proposta del disseny tècnic, i va contribuir així a la construcció del detector de traces i del calorímetre hadrònic.

En 2008 es va posar en marxa l’LHC, amb l’objectiu d’abordar qüestions com què dona massa a la matèria, per què la natura prefereix la matèria a l’antimatèria o com va evolucionar la matèria des dels primers instants de l’existència de l’univers. En 2009, es van dur a terme les primeres col·lisions, que van convertir l’LHC en l’accelerador de partícules de més energia del món. En l’actualitat, la seua energia ha aconseguit 13,6 TeV amb 180.000 milions de protons circulant en cadascun dels 2.400 paquets que componen els seus feixos.

Fins al moment, l’assoliment més gran de l’LHC ha sigut el descobriment en 2012 de l’esquiu bosó de Higgs, la partícula que mancava per a completar el model estàndard. El bosó de Higgs dona la seua massa a altres partícules fonamentals, i la seua cerca ha sigut un dels principals objectius del projecte. François Englert i Peter Higgs van aconseguir el Nobel de Física en 2013 per haver predit teòricament la seua existència. En 2026, l’LHC es detindrà per a preparar una nova fase (HL-LHC) que augmentarà en deu vegades el nombre de col·lisions respecte al disseny original. S’espera que prenga dades fins més enllà de 2040.

Espanya continua sent el cinquè país en aportació al CERN amb uns vuitanta milions de francs suïssos. El nombre d’usuaris espanyols ronda els 440, dels quals uns 120 són membres de l’IFIC. Malgrat el gran creixement de la comunitat científica i el seu impacte, encara no hem aconseguit el nivell d’altres països del nostre entorn, ja que només som el 3,7 % dels usuaris del CERN.

Després del reingrés d’Espanya en el CERN en 1983, els grups de recerca del nostre país han pogut participar en gran part dels experiments del CERN, com els duts a terme e el col·lisionador electró-positró (LEP) o en el més recent Large Hadron Collider (LHC). En la imatge, Jacques Lefrançois, Jack Steinberger, Lorenzo Foà i Pierre Lazeyras en 1988 durant la inauguració del detector ALEPH en el LEP.

El CERN en la societat

Gràcies a les tecnologies desenvolupades en el CERN, centrades en acceleradors, detectors i informàtica, s’han pogut dur a terme millores en molts camps en benefici de la societat. L’exemple més conegut és la World Wide Web (web), inventada en el CERN en 1990. Aquesta interfície basada en hipertext es va crear inicialment per a satisfer les necessitats dels físics d’intercanviar tota mena de dades en diferents formats. La web s’ha expandit a més de 100 milions de llocs en el globus, amb centenars de milions d’usuaris. És un extraordinari exemple de com la transferència de tecnologia canvia dràsticament la comunicació i el comportament socials. Menys coneguts són els desenvolupaments en detectors i acceleradors que milloren les eines de diagnòstic mèdic o radioteràpia personalitzada dels quals es beneficien milions de persones. Com a exemple, en 1977 el CERN va obtenir la seua primera imatge amb una cambra de tomografia per emissió de positrons (PET), una tècnica avui comuna en el diagnòstic mèdic.

La participació espanyola en el CERN produeix un gran retorn tecnològic i d’experiència en noves tecnologies per a la indústria espanyola. Des de 2013, la xifra de retorn directe supera els trenta milions d’euros anuals.

El futur

Quan en 1993 el Congrés dels EUA va cancel·lar la construcció del supercol·lisionador superconductor (80 km), «va cedir» al CERN la primacia en física de partícules. La mantindrà?

El futur del CERN a llarg termini el defineix l’estratègia europea en física de partícules que prioritza l’HL-LHC i recomana un col·lisionador d’electrons i positrons que siga una «fàbrica» de bosons de Higgs, de 100 km de longitud (FCC-ee). Altres màquines es proposen en diferents països (ILC al Japó, CEPC a la Xina…). 

Totes suposen grans reptes tecnològics i econòmics. Fins i tot la més avançada no estaria llesta abans de 2035. No és absurd pensar que el centre de la física de partícules continue a Europa ni que es desplace a un altre continent.

I l’IFIC? Amb quasi 400 persones i l’etiqueta de Centre d’Excel·lència Severo Ochoa, contempla amb optimisme el seu futur i prepara el seu 75è aniversari en 2025.