En orden cero, la respuesta es que el Gran Colisionador de Hadrones fue diseñado para reutilizar los mismos túneles que solían albergar un experimento anterior que se desmanteló en 2000: el gran colisionador de electrones y positrones (“LEP”). Esto ayudó a reducir el costo general de la máquina, y ayudó a las naciones financiadoras a tragarse los excesos de costos que ahora esperamos de una empresa de tal complejidad; de hecho, el SuperCollider Superconductor (“SSC”) se canceló en el Estados Unidos por parte de la administración Clinton debido a sus excesivos presupuestos, a los cuales la mayor contribución fueron los costos de infraestructura.
De hecho, curiosamente, el túnel LEP fue construido para ser compatible con un posible futuro colisionador circular de hadrones, incluso antes de que el proyecto LHC obtuviera la aprobación oficial.
Entonces se puede preguntar: ¿por qué LEP fue un colisionador circular? ¿Por qué no diseñar tanto LHC como LEP como colisionadores lineales?
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Los colisionadores circulares y lineales se han utilizado con éxito en física de alta energía en las últimas décadas. Ambos diseños usan un campo eléctrico para acelerar las partículas del haz. En colisionadores circulares, podemos evitar tener un campo eléctrico en una distancia mucho más corta en comparación con un colisionador lineal, porque, a medida que el haz gira y gira, encuentra el mismo campo eléctrico repetidamente. (En un colisionador lineal, cada partícula solo tiene una oportunidad de colisión). Por otro lado, mantener los componentes del haz circulando en un círculo con una energía constante es costoso, porque una partícula cargada acelerada pierde energía al emitir radiación electromagnética. Cuanto más pequeño es el radio del círculo, mayor es la tasa de pérdida de energía; esta es la razón por la cual LEP y LHC tienen un diámetro tan grande. Este problema no está ausente en un colisionador lineal (generalmente, debido a restricciones geométricas, las vigas todavía tienen que doblarse), pero su efecto es mucho menos drástico. Además, la preservación del haz es un desafío que los aceleradores circulares tienen que resolver: no pueden enfocar demasiado los haces en el punto de colisión, o se hace difícil mantenerlos estrechos durante sus continuos viajes alrededor del anillo.
La selección final generalmente se realiza para minimizar el costo del experimento para el contribuyente para un objetivo deseado dado (recopilar estadísticas X en el rango de energía Y).
LEP fue construido para estudiar las propiedades del bosón Z, cuya existencia había sido verificada anteriormente por la cámara de burbujas Gargamelle en 1973 en el CERN. Debido a que ya sabíamos la masa aproximada del bosón Z, LEP podría optimizarse para tener colisiones alrededor de esa energía, y se descubrió que un diseño circular con una gran circunferencia sería lo suficientemente eficiente como para recopilar buenas estadísticas sobre esa energía *. Junto con la posibilidad de reutilizar el túnel para un futuro colisionador protón-protón, esto fue suficiente para obtener la aprobación del proyecto.
Una buena característica de los haces de protones es que a medida que giran en círculo, pierden energía a una velocidad mucho menor que los electrones; por lo tanto, puede reutilizar un colisionador circular de electrones-positrones existente en un colisionador de protones a una energía mucho más alta. Esto es lo que terminó sucediendo en el LHC: dadas las limitaciones de las corrientes magnéticas de flexión, etc., fue posible reutilizar los túneles LEP para haces de protones con la energía a la que esperábamos encontrar nuevas partículas, incluido el bosón de Higgs y el supersimétrico. partículas (Terminamos descubriendo lo primero pero no lo segundo).
Por desgracia, LEP estaba cerca del borde de la viabilidad técnica de colisionadores circulares de electrones-positrones. Dado que ahora estamos buscando nuevas partículas con energías mucho más altas, los colisionadores circulares de electrones-positrones ya no serán factibles debido a la pérdida de energía mientras circulan en un círculo, razón por la cual las propuestas para futuros colisionadores de electrones-positrones son lineales aceleradores siguiendo el diseño del Stanford Linear Collider (SLC) (SLC fue un experimento de EE. UU. que tenía objetivos similares a LEP pero era un colisionador lineal; terminó sin tener tan buenas estadísticas como LEP, pero sirvió como un excelente banco de pruebas para futuros colisionadores lineales) en lugar del diseño LEP. Al igual que LEP se sintonizó para generar bosones Z, el próximo colisionador de electrones-positrones, si está construido, probablemente se sintonizará para producir bosones de Higgs. Pero, a diferencia de LEP, no estará diseñado para ser reutilizado por un futuro colisionador protón-protón, para el cual un diseño circular es generalmente más eficiente a altas energías.
* LEP realizó su trabajo magníficamente: su medición de la masa del bosón Z se considera un “estándar de la industria”; de hecho, los experimentos de LHC usan la medición de LEP para calibrar sus detectores y validar algunos resultados. A menudo, vemos un exceso de partículas creadas por la descomposición del bosón Z, y en realidad tratamos de excluirlos de nuestro análisis tanto como sea posible, ya que tales descomposiciones son banales desde el punto de vista de la física moderna: debe ser un sentimiento agridulce para que un ex físico LEP ignore las descomposiciones del bosón Z como “poco interesantes”!
