Colisionador lineal internacional

El Colisionador Lineal Internacional ( ILC ) es un acelerador lineal de partículas propuesto . ^{[ 1 ]} Se planea que tenga una energía de colisión de 500 GeV inicialmente, con la posibilidad de una actualización posterior a 1000 GeV (1 TeV). Aunque las ubicaciones propuestas inicialmente para el ILC fueron Japón, Europa ( CERN ) y los EE. UU. ( Fermilab ), ^{[ 2 ]} la meseta de Kitakami en la prefectura de Iwate , en el norte de Japón, ha sido el foco de los esfuerzos de diseño del ILC desde 2013. ^{[ 3 ]} El gobierno japonés está dispuesto a contribuir con la mitad de los costos, según el coordinador del estudio de detectores en el ILC. ^{[ 4 ]}   

El ILC colisionaría electrones con positrones . Tendrá una longitud de entre 30 y 50 km (19 y 31 millas) , más de 10 veces mayor que la del acelerador lineal de Stanford de 50 GeV , el acelerador lineal de partículas más largo que existe. La propuesta se basa en propuestas similares anteriores de Europa, Estados Unidos y Japón.  

En un enfoque por etapas, el ILC podría construirse inicialmente a 250 GeV, para ser utilizado como una fábrica de Higgs . ^{[ 5 ]} Dicho diseño tendría aproximadamente 20  km de longitud.

También se están llevando a cabo estudios para un proyecto alternativo, el Colisionador Lineal Compacto (CLIC), que operaría a energías más altas (hasta 3 TeV) en una máquina de longitud similar a la del ILC. Estos dos proyectos, CLIC e ILC, se han unificado bajo la Colaboración del Colisionador Lineal . ^{[ 6 ]}

Existen dos formas básicas de aceleradores. Los aceleradores lineales ("linacs") aceleran partículas elementales en línea recta. Los aceleradores circulares ("sincrotrones"), como el Tevatron , el LEP y el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), utilizan trayectorias circulares. La geometría circular presenta ventajas significativas a energías de hasta decenas de GeV : con un diseño circular, las partículas pueden acelerarse eficazmente a distancias mayores. Además, solo una fracción de las partículas que entran en la trayectoria de colisión realmente colisionan. En un acelerador lineal, las partículas restantes se pierden; en un acelerador de anillo, siguen circulando y están disponibles para futuras colisiones. La desventaja de los aceleradores circulares es que las partículas cargadas que se mueven a lo largo de trayectorias curvas emiten necesariamente radiación electromagnética conocida como radiación sincrotrón . La pérdida de energía por radiación sincrotrón es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la masa de las partículas en cuestión. Por eso tiene sentido construir aceleradores circulares para partículas pesadas: colisionadores de hadrones como el LHC para protones o, alternativamente, para núcleos de plomo . Un colisionador de electrones y positrones del mismo tamaño jamás podría alcanzar las mismas energías de colisión. De hecho, las energías en el LEP, que antes ocupaba el túnel ahora destinado al LHC, estaban limitadas a 209 GeV debido a la pérdida de energía por radiación sincrotrón.

Aunque la energía de colisión nominal en el LHC será mayor que la del ILC (14 000 GeV para el LHC ^{[ 7 ]} frente a unos 500 GeV para el ILC), las mediciones podrían realizarse con mayor precisión en el ILC. Las colisiones entre electrones y positrones son mucho más sencillas de analizar que las colisiones en las que la energía se distribuye entre los quarks , antiquarks y gluones constituyentes de las partículas bariónicas . Por lo tanto, una de las funciones del ILC sería realizar mediciones de precisión de las propiedades de las partículas descubiertas en el LHC.  

Se espera ampliamente que los experimentos en el ILC propuesto detecten efectos físicos que van más allá de lo descrito en el Modelo Estándar actual. ^{[ 8 ]} Además, se espera descubrir y medir partículas e interacciones descritas por el Modelo Estándar. En el ILC, los físicos esperan poder:

• Medir la masa, el espín y las intensidades de interacción del bosón de Higgs.
• Si existen, mida el número, el tamaño y la forma de cualquier dimensión extra a escala de TeV.
• Investigar las partículas supersimétricas más ligeras , posibles candidatas a materia oscura.

Para lograr estos objetivos, se necesitan detectores de partículas de nueva generación.

En agosto de 2004, el Panel Internacional de Recomendaciones Tecnológicas (ITRP) recomendó ^{[ 9 ]} una tecnología de radiofrecuencia superconductora para el acelerador. Tras esta decisión, los tres proyectos de colisionadores lineales existentes —el Next Linear Collider (NLC), el Global Linear Collider (GLC) y el Teraelectronvolt Energy Superconducting Linear Accelerator (TESLA)— unieron sus esfuerzos en un único proyecto (el ILC). En marzo de 2005, el Comité Internacional para Futuros Aceleradores (ICFA), un grupo de trabajo de la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada , anunció al Prof. Barry Barish , director del Laboratorio LIGO en Caltech de 1997 a 2005, como Director del Esfuerzo de Diseño Global (GDE). En agosto de 2007, se publicó el Informe de Diseño de Referencia para el ILC. ^{[ 10 ]} Los físicos que trabajaban en el GDE completaron un informe de diseño detallado del ILC, que publicaron en junio de 2013. ^{[ 6 ]}

La fuente de electrones del ILC utilizará pulsos láser de 2 nanosegundos para expulsar electrones de un fotocátodo , una técnica que permite polarizar hasta el 80 % de los electrones; estos se acelerarán a 5  GeV en una etapa de acelerador lineal de 370 metros. La radiación sincrotrón de electrones de alta energía producirá pares electrón-positrón en un blanco de aleación de titanio, con una polarización de hasta el 60 %; los positrones resultantes de estas colisiones se recogerán y acelerarán a 5  GeV en un acelerador lineal independiente.

Para compactar los  haces de electrones y positrones de 5 GeV hasta un tamaño suficientemente pequeño como para que colisionen eficazmente, circularán durante 0,1-0,2 segundos en un par de anillos amortiguadores de 3,24  km de circunferencia, en los que su tamaño se reducirá a 6  mm de longitud y su emitancia vertical y horizontal será de 2  pm y 0,6  nm, respectivamente.

Desde los anillos de amortiguación, los haces de partículas se enviarán a los aceleradores lineales principales de radiofrecuencia superconductores , cada uno de 11  km de longitud, donde se acelerarán a 250  GeV. A esta energía, cada haz tendrá una potencia media de unos 5,3 megavatios . Se producirán y acelerarán cinco trenes de haces por segundo.

Para mantener una luminosidad suficiente que permita obtener resultados en un plazo razonable tras la aceleración, los haces se enfocarán a unos pocos nanómetros de altura y unos pocos cientos de nanómetros de ancho. Posteriormente, los haces enfocados colisionarán dentro de uno de los dos grandes detectores de partículas .

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  Una cavidad de radiofrecuencia superconductora de nueve celdas de 1,3 GHz basada en niobio para ser utilizada en el linac principal ^{[ 11 ].} 
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  Vista interior de la cavidad superconductora de radiofrecuencia de niobio.
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  Un criomódulo en fase de pruebas en Fermilab.
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  Sección transversal del criomódulo. El tubo grande en el centro es el conducto de retorno del gas helio. El tubo cerrado que se encuentra debajo es el eje del haz.
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  Una brida del criomódulo se utiliza para conectar los cables y alambres de la instrumentación.

Originalmente, tres sitios para el Colisionador Lineal Internacional eran los principales candidatos en centros de física de altas energías establecidos en Europa. ^{[ 12 ]} En el CERN en Ginebra, el túnel está ubicado a gran profundidad en roca madre impermeable. Este sitio se consideró favorable por varias razones prácticas, pero debido al LHC, el sitio fue descartado. En DESY en Hamburgo, el túnel está cerca de la superficie en suelo saturado de agua. Alemania lidera Europa en financiación científica y, por lo tanto, se consideró confiable en términos de financiación. En JINR en Dubna, el túnel está cerca de la superficie en suelo impermeable. Dubna tiene un complejo de preaceleradores que podría haberse adaptado fácilmente a las necesidades del ILC. Pero los tres eran más o menos adecuados para albergar un Colisionador Lineal y uno tenía amplias opciones para un proceso de selección de sitio en Europa.

Fuera de Europa, varios países expresaron interés. Japón recibe una gran cantidad de financiación para actividades relacionadas con neutrinos, como el experimento T2K , un factor que no le favorece, aunque ya se han construido en Japón 20 enormes cavernas con túneles de acceso para centrales hidroeléctricas (por ejemplo, la central hidroeléctrica de Kannagawa ). Tras el cierre del Tevatron, algunos grupos en EE. UU. habían expresado interés, siendo Fermilab un sitio preferido debido a las instalaciones y los expertos ya presentes. Gran parte del interés especulado de otros países se basaba en rumores dentro de la comunidad científica, y se publicaron muy pocos datos oficiales. La información presentada anteriormente es un resumen de la contenida en el Taller Internacional sobre Colisionadores Lineales 2010 (Reunión Conjunta ECFA-CLIC-ILC) en el CERN. ^{[ 13 ]}

La crisis económica de 2008 llevó a Estados Unidos y Reino Unido a recortar fondos para el proyecto del colisionador, ^{[ 14 ]} lo que llevó a Japón a posicionarse como el anfitrión más probable del Colisionador Lineal Internacional. ^{[ 15 ]} El 23 de agosto de 2013, el comité de evaluación de emplazamientos de la comunidad japonesa de física de altas energías propuso que se ubicara en las montañas Kitakami de las prefecturas de Iwate y Miyagi . ^{[ 16 ]} El 7 de marzo de 2019, el gobierno japonés declaró que no estaba preparado para apoyar la construcción del Colisionador debido a su elevado coste propuesto de aproximadamente 7.000 millones de dólares. Esta decisión se basó en parte en el Consejo Científico de Japón . El gobierno japonés buscó apoyo financiero de otros países para ayudar a financiar este proyecto. ^{[ 17 ]}

En 2022, el plan japonés para el ILC fue "archivado" por un panel del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT) de Japón ^{[ 18 ].} Se dieron varias razones, incluyendo un posible apoyo internacional insuficiente y la propuesta del CERN para el Futuro Colisionador Circular , que tiene objetivos de física superpuestos con el ILC.

En marzo de 2024, la «Federación de Miembros de la Dieta para la ILC» se reunió para recibir «Informes sobre el progreso del proyecto ILC e iniciativas de las organizaciones pertinentes». ^{[ 19 ]} Cincuenta participantes, entre ellos miembros de la Dieta y otras agencias gubernamentales, así como investigadores y empresas, recibieron informes sobre el progreso del proyecto. Los participantes debatieron sobre el futuro de la ILC. ^{[ 19 ]} La reunión dio como resultado tres recomendaciones:

1. El proyecto ILC será promovido aún más por la comunidad de investigación, la industria, las organizaciones que promueven los sitios candidatos, los ministerios y agencias pertinentes, los miembros de la Dieta y otras organizaciones políticas dentro de un marco de todo Japón.

2. En el marco del proyecto ILC, se fortalecerá aún más la colaboración internacional como una iniciativa global que involucra a la comunidad investigadora. Esto se logrará mediante una estrecha cooperación entre el Equipo de Desarrollo Internacional (IDT) del ILC, una organización de promoción internacional establecida bajo el amparo de ICFA, y la comunidad investigadora nacional.

3. El Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT) debe desempeñar un papel activo en la colaboración con la comunidad internacional de investigación para lograr el programa global de aceleración. Esta colaboración debe aprovechar el marco del Comité de Enlace sobre Futuros Aceleradores de Alto Rendimiento, en colaboración con la Oficina del Gabinete, así como con otros ministerios y organismos pertinentes.

En diciembre de 2024, el ILC superó un obstáculo clave en Japón al recibir la aprobación del Consejo Científico de Japón (SCJ), poniendo fin a años de estancamiento y permitiendo al Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT) de Japón avanzar en la formulación de una hoja de ruta científica nacional. «El proceso del SCJ ha terminado y el MEXT puede seguir adelante», señaló Hitoshi Murayama, subdirector de la Colaboración del Colisionador Lineal, en las primeras conversaciones sobre este hito. ^{[ 21 ]}

Este progreso ha estado acompañado de una intensificación de las gestiones de la comunidad japonesa de física de altas energías ^{[ 22 ] [ 23 ]} (a través de ILC-Japón y KEK) ante el MEXT, haciendo hincapié en la necesidad de mayores compromisos en materia de financiación internacional antes de finalizar cualquier decisión, con la expectativa de que al menos el 50% de las contribuciones provengan del extranjero (incluidas las conversaciones formales iniciadas con Francia, Alemania, el Reino Unido y Estados Unidos). El sitio propuesto sigue siendo la meseta de Kitakami en las prefecturas de Iwate y Miyagi, lo que representa un posible esfuerzo de revitalización para la región de Tohoku, ^{[ 24 ]} aunque también se han realizado estudios de campo en áreas como Karatsu, en la prefectura de Saga. A nivel mundial, las perspectivas del ILC continúan evolucionando a través de iniciativas como la Visión del Colisionador Lineal (LC Vision), con estudios de ingeniería en curso que abogan por una fase de prelaboratorio para coordinar los esfuerzos internacionales. ^{[ 25 ]}

El Informe de Diseño de Referencia estimó el costo de construcción del ILC, excluyendo I+D, creación de prototipos, adquisición de terrenos, costos de servidumbres subterráneas, detectores, contingencias e inflación, en US$6.75 mil millones ^{[ 26 ]} (a precios de 2007). A partir de la aprobación formal del proyecto, se espera que la finalización del complejo acelerador y los detectores requiera siete años. El país anfitrión tendría que pagar US$1.8 mil millones por costos específicos del sitio, como la excavación de túneles y pozos y el suministro de agua y electricidad.

El exsecretario de Energía de EE. UU. , Steven Chu, estimó que el costo total sería de 25 mil millones de dólares. El director del ILC, Barish, afirmó que probablemente se trate de una sobreestimación. Otros funcionarios del Departamento de Energía han estimado un total de 20 mil millones de dólares. ^{[ 27 ]} Tras la finalización del Informe de Diseño del ILC de 2013, Barish declaró que el costo de construcción del ILC equivalía a 7.780 millones de dólares estadounidenses de 2012; requeriría "22,6 millones de horas de mano de obra y costos específicos de la ubicación, incluyendo la preparación del sitio, los detectores científicos y las operaciones de las instalaciones". ^{[ 28 ]}

• Contenido multimedia relacionado con el Colisionador Lineal Internacional en Wikimedia Commons.
• Sitio web del Colisionador Lineal Internacional
• Línea de noticias de ILC
• La ILC en 2 minutos (vídeo, 2:07)
• ¡Adelante! El Big Bang de Tohoku. ~Haciendo realidad el Colisionador Lineal Internacional (CLI)~ (vídeo, 21:31)
• Karl Van Bibber sobre la NLC
• En la revista Symmetry :
  • Número especial , agosto de 2005
  • "Pensando de forma innovadora: diseñando el ILC" , marzo de 2006
• Artículo del New York Times
• Artículo de la revista Science
• Vista previa del artículo de Scientific American
• Artículo sobre el Colisionador Lineal Internacional de 1600
• arXiv:
  • Informe técnico sobre el diseño del Colisionador Lineal Internacional - Volumen 1: Resumen ejecutivo
  • Informe técnico sobre el diseño del Colisionador Lineal Internacional - Volumen 2: Física
  • Informe de diseño técnico del Colisionador Lineal Internacional - Volumen 3.I: Investigación y desarrollo de aceleradores en la fase de diseño técnico
  • Informe técnico de diseño del Colisionador Lineal Internacional - Volumen 3.II: Diseño de referencia del acelerador
  • Informe técnico sobre el diseño del Colisionador Lineal Internacional - Volumen 4: Detectores