El Gran Colisionador a máxima potencia consume la misma electricidad que 300.000 hogares para acelerar partículas al 99,9999991 % de la velocidad de la luz

Por un lado, un consumo eléctrico comparable al de una ciudad de varios cientos de miles de habitantes. Por otro, partículas minúsculas, invisibles a simple vista, tan diminutas que su existencia resulta difícil de imaginar. Esta es la paradoja del acelerador de partículas más grande jamás construido: utilizar una enorme cantidad de energía para estudiar los componentes más pequeños de la materia.

En la frontera franco-suiza, a unos cien metros bajo tierra, un anillo de 27 kilómetros permite hacer circular protones a velocidades extraordinariamente próximas a la de la luz. Detrás de esta cifra se encuentra una de las máquinas científicas más complejas construidas por el ser humano, capaz de reproducir durante una fracción de segundo condiciones que existieron en el universo primitivo. Pero ¿en qué se emplea realmente toda esa electricidad y qué conocimientos permite obtener?

Una infraestructura gigantesca que necesita energía incluso cuando no hay colisiones

El consumo energético asociado al CERN alcanza aproximadamente 1,3 teravatios-hora al año, una cifra que corresponde al conjunto de sus instalaciones y no exclusivamente al Gran Colisionador de Hadrones. El laboratorio opera una compleja red de aceleradores, sistemas criogénicos, instalaciones experimentales y centros informáticos que requieren grandes cantidades de electricidad, según explica un informe de Science Post.

El consumo tampoco permanece constante durante todo el año. El LHC alterna periodos de funcionamiento con paradas técnicas destinadas al mantenimiento y a la preparación de las instalaciones. Incluso cuando no hay haces circulando, el complejo continúa necesitando electricidad para mantener activos sistemas esenciales, como la refrigeración, la ventilación, la criogenia, los equipos informáticos y otras infraestructuras.

Una parte importante de la energía asociada al funcionamiento del LHC tampoco se destina directamente a acelerar los protones. Mantener los imanes superconductores a temperaturas extremadamente bajas, hacer funcionar los sistemas de refrigeración y controlar los haces requiere una infraestructura mucho más amplia que el simple proceso de aumentar la velocidad de las partículas.

Los protones dan más de 11.000 vueltas al anillo cada segundo

Cuando alcanzan su energía de operación, los protones del LHC viajan a una velocidad de aproximadamente 99,9999991% de la velocidad de la luz. A esa velocidad, recorren los casi 27 kilómetros de circunferencia del acelerador unas 11.000 veces por segundo.

Sin embargo, acercarse a la velocidad de la luz no significa que cada fracción adicional de velocidad requiera simplemente "más potencia". La física relativista establece que, cuanto más se aproxima una partícula con masa a la velocidad de la luz, más energía es necesaria para aumentar su energía, mientras que su velocidad cambia cada vez menos. Por eso los protones pueden alcanzar energías enormes sin llegar nunca a la velocidad de la luz.

En el interior del acelerador circulan dos haces de protones en sentidos opuestos. Los campos magnéticos mantienen cada haz en su trayectoria, mientras que otros sistemas los aceleran hasta alcanzar las energías necesarias. Finalmente, los haces se hacen cruzar en puntos concretos donde se producen las colisiones estudiadas por los grandes experimentos del LHC.

Los imanes superconductores funcionan a 1,9 kelvin

Mantener los protones en una trayectoria circular exige el uso de miles de imanes superconductores. Para que puedan funcionar con una resistencia eléctrica extremadamente baja, estos componentes se mantienen a aproximadamente 1,9 kelvin, unos -271,3 °C.

A esa temperatura, los cables superconductores fabricados con una aleación de niobio y titanio pueden transportar corrientes muy elevadas sin las pérdidas eléctricas que sufriría un conductor convencional. El sistema criogénico encargado de mantener estas temperaturas constituye, por tanto, una parte esencial de la infraestructura del acelerador y también uno de los grandes consumidores de energía.

El CERN también trabaja en el aprovechamiento del calor generado por sus instalaciones. Algunos proyectos de recuperación energética permiten transferir calor residual hacia sistemas de calefacción urbana, de modo que parte de la energía que normalmente se disiparía pueda utilizarse para otros fines.

Del bosón de Higgs a una nueva generación de colisiones

La enorme infraestructura del LHC tiene como propósito estudiar las partículas elementales y las fuerzas que gobiernan su comportamiento. Uno de sus mayores hitos llegó en 2012, cuando los experimentos ATLAS y CMS anunciaron el descubrimiento de una nueva partícula compatible con el bosón de Higgs, cuya existencia confirmó el mecanismo asociado al campo de Higgs mediante el cual determinadas partículas elementales adquieren masa.

El descubrimiento fue reconocido al año siguiente con el Premio Nobel de Física de 2013, concedido a Peter Higgs y François Englert por el desarrollo teórico del mecanismo relacionado con el origen de la masa de las partículas subatómicas.

Pero el descubrimiento del Higgs no puso fin a la investigación. El objetivo actual es estudiar sus propiedades con una precisión cada vez mayor y buscar fenómenos que puedan revelar física más allá del modelo estándar.

Para ello, el CERN está desarrollando el High-Luminosity LHC (HL-LHC), una importante actualización del acelerador destinada principalmente a aumentar de forma considerable la luminosidad, es decir, la cantidad de colisiones disponibles para los experimentos. Esto permitirá recopilar muchos más datos y mejorar la capacidad de los científicos para detectar fenómenos extremadamente raros.

El LHC representa así una paradoja tecnológica: una infraestructura gigantesca y energéticamente exigente dedicada a estudiar partículas que no pueden verse directamente. Cada colisión dura apenas un instante, pero puede aportar información sobre las leyes fundamentales que gobiernan el universo. La electricidad consumida no se emplea únicamente para hacer que los protones alcancen velocidades extraordinarias, sino para mantener en funcionamiento una de las máquinas científicas más complejas jamás construidas.