Un acelerador de partículas es, en esencia, una máquina diseñada para incrementar la energía de las partículas. Se habla de energía y no de velocidad porque, cuando una partícula se acerca a la velocidad de la luz, los cambios en esa velocidad se vuelven prácticamente imperceptibles. Resulta más claro describirlas en términos de energía: cantidades como 45.6 GeV o 182.5 GeV. Estas cifras se expresan en electron-voltios, una unidad que indica la energía que adquiere un electrón al atravesar un campo eléctrico. En ese lenguaje —el de la energía— es donde realmente se entiende el funcionamiento de los aceleradores.
Para comprender cómo logran esto, basta recordar qué entendemos por una partícula. En física se trata de una porción de materia con propiedades definidas que puede considerarse uniforme en su extensión. Por eso solemos representarlas como esferas: una manera sencilla de expresar que no hay partes distintas dentro de ellas. Muchas partículas, además de masa, poseen carga eléctrica, y es justamente esa carga la que permite a los aceleradores “empujarlas” mediante campos eléctricos para incrementar su energía.
Cuando esa energía se concentra en el punto donde dos haces colisionan, ocurre uno de los procesos más sorprendentes de la naturaleza: la energía puede transformarse en nuevas partículas. Es una manifestación directa de la ecuación más conocida de la física, E = mc². En un acelerador, esa relación deja de ser una fórmula abstracta y se convierte en un fenómeno observable.
Un acelerador incrementa la energía de las partículas para revelar la estructura de la materia
Los aceleradores no tienen un solo propósito. Su uso depende principalmente de la energía que alcanzan, del tipo de partículas que pueden acelerar y del objetivo contra el cual se dirigen. En México existe un dicho que lo resume bien: “de acuerdo al sapo es la pedrada”. Así, un acelerador puede emplearse para tratar cáncer mediante haces de protones, para implantar iones en materiales industriales o para estudiar reacciones nucleares en investigación básica. Las diferencias entre estas aplicaciones radican en las condiciones del haz: su energía, su intensidad y el tiempo durante el cual se mantiene activo.
En investigación científica, los aceleradores son herramientas indispensables para poner a prueba teorías físicas. Permiten explorar fenómenos que no pueden observarse de otra manera. Sin embargo, no se trata de disparar partículas al azar. Cada experimento se diseña cuidadosamente, guiado por preguntas específicas y por predicciones teóricas que indican qué buscar y en qué condiciones hacerlo.
Dentro de este panorama existen los llamados aceleradores de frontera. Son aquellos que, en un momento dado, representan el límite de lo posible en energía, tecnología e innovación. Ese límite no es permanente: cambia conforme avanza la ciencia.
En su momento, el Tevatron del Fermilab —un laboratorio nacional en Estados Unidos— fue el acelerador más poderoso del mundo. Alcanzó energías del orden de un tera-electron-voltio (TeV) y permitió el descubrimiento del quark top en la década de 1990. A partir de 2008, el liderazgo pasó al Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), ubicado en el CERN —la Organización Europea para la Investigación Nuclear—. Este acelerador, un anillo subterráneo de 27 kilómetros de circunferencia, puede alcanzar energías cercanas a los 14 TeV en el punto donde colisionan las partículas. En él se logró, en 2012, el descubrimiento del bosón de Higgs, una pieza clave del modelo estándar de la física de partículas.
Como ocurre en toda actividad humana, el conocimiento no se detiene. Hoy se trabaja en el diseño de una nueva generación de aceleradores, entre ellos el Future Circular Collider (FCC), un proyecto internacional que busca superar las capacidades actuales y ampliar el alcance experimental de la física.
En ese esfuerzo participan equipos de distintas áreas y países. El trabajo consiste en resolver un desafío fundamental: lograr que los haces de partículas sigan trayectorias precisas, mantengan el tamaño adecuado y lleguen al punto de colisión en el momento exacto. Puede parecer similar a organizar el tráfico en una autopista, pero la diferencia es que aquí se trata de partículas diminutas cuyo control exige una precisión extrema.
Diseñar estas máquinas es construir herramientas para explorar el origen de la materia
El diseño de estos aceleradores implica considerar múltiples factores, incluso geográficos. En el caso del CERN, ubicado entre Suiza y Francia, el terreno montañoso hace más viable construir un anillo de gran circunferencia que uno más compacto. Así, elementos naturales influyen directamente en la ingeniería de estas máquinas.
A lo largo del tiempo surgen nuevas propuestas para optimizar su funcionamiento. Una de ellas consiste en utilizar imanes capaces de realizar simultáneamente funciones de guía y enfoque del haz. Estas innovaciones podrían reducir pérdidas de energía y aumentar la eficiencia del sistema, permitiendo alcanzar mayores energías en las colisiones.
Trabajar en el diseño de aceleradores de frontera es, en muchos sentidos, como armar un enorme rompecabezas. Cada componente debe colocarse con precisión para que el conjunto funcione. En ese proceso se combinan física, ingeniería y creatividad, con el objetivo de construir herramientas que permitan explorar las preguntas más profundas sobre la materia y el universo.
