detección de axiones en estrellas de neutrones

La orquesta toca, aunque nadie ve al director. Los músicos son partículas cargadas en la magnetosfera del púlsar, y la partitura son los campos eléctricos y magnéticos nacidos de la rotación de la estrella superdensa.

El haz de antiprotones incide en la placa, y cada impacto se descompone en una ráfaga de partículas cargadas. En el experimento GBAR del CERN, esta escena no se observa con un detector complejo, sino con una cámara industrial común sin lente, pegada desde fuera a la ventana de vacío.

En el interior del Sol tienen lugar reacciones que podrían generar partículas ligeras y casi indetectables: los axiones. Una de estas reacciones produce axiones con una energía de 5,49 MeV, como si cada uno llevara la energía del impacto de una pelota de tenis que viaja a 100 km/h.

Un electrón extra en una molécula es como un pasajero que apenas se aferra al estribo de un tren en marcha. Ese "pasajero" convierte a la partícula en un anión, un ion negativo. Estudiarlo es difícil: el enlace es débil, la nube electrónica está difuminada, y cualquier empujón puede arrancar el electrón.

El universo temprano se asemeja a un caldero hirviendo donde las partículas y las antipartículas nacen y mueren en proporciones iguales. Pero hoy a nuestro alrededor solo hay materia: estrellas, planetas, nosotros mismos. ¿Cómo surgió un diminuto exceso de una milmillonésima parte a partir de la igualdad inicial?

En la lejana galaxia del Cigarro hay un faro insólito. No brilla en el sentido habitual: sus rayos nacen en una nube ardiente alrededor de un agujero negro que devora la materia de una estrella compañera. Estos objetos se denominan fuentes ultraluminosas de rayos X. Su fulgor en rayos X es tan intenso que eclipsa a galaxias enteras.

A 123 pársecs de la Tierra, en la constelación de la Corona Austral, navega la estrella de neutrones RX J1856.5-3754. Su diámetro es de unos 12 kilómetros, menor que una carretera de circunvalación urbana, pero la temperatura de su superficie alcanza los 460 000 kelvin. La estrella emite una exhalación lenta, casi inaudible.

En lo profundo del subsuelo, en el silencio de un criostato (un contenedor refrigerado), yacen cristales de plomo que una vez formaron parte de un barco romano antiguo. Este material apenas emite radiación de fondo: en dos mil años, los isótopos inestables se han desintegrado, y ahora es perfectamente puro para la caza de eventos rarísimos.

Un faro en alta mar no solo gira: su lámpara por sí misma a veces se atenúa y a veces se aviva. Más o menos así se comportan las enanas blancas magnéticas, restos superdensos de estrellas como nuestro Sol.

Un puñado de arena en el puño: los granos se empujan entre sí y la mano no puede cerrarse más. La materia ordinaria se comporta de manera similar. Pero en una estrella de neutrones, la compresión es miles de millones de veces más fuerte: los átomos están aplastados, los electrones incrustados en los protones, y casi todo el espacio está lleno de neutrones.

Una estrella de neutrones es el núcleo que fue de una estrella masiva, comprimido hasta el tamaño de una ciudad. Una cucharadita de su materia pesa como una montaña. Pero dentro de esta esfera ultradensa puede esconderse una sorpresa: bajo una presión inimaginable, los neutrones se descomponen en quarks y la estrella adquiere un núcleo nuevo, más compacto.

Durante décadas, SETI ha perseguido esferas de Dyson — hipotéticas envolturas que capturan la luz de звезды y la reemiten en el infrarrojo. Pero el cosmos guarda silencio. Tal vez otra inteligencia actúa con más elegancia: no recolecta luz, sino que doma la rotación de светила, como un gigantesco volante de inercia.

Las estrellas de neutrones — restos de supernovas — son unos de los objetos más densos del Universo. Su densidad central supera varias veces la nuclear, y su gravedad solo cede ante los agujeros negros.

La historia comenzó con un desconcierto: en los años 30, Fritz Zwicky notó que los cúmulos de galaxias se comportaban como si ocultaran una enorme masa invisible.

Las estrellas de neutrones son «copos de nieve» cósmicos de una densidad inimaginable: una cucharada de su materia pesaría más que el monte Everest. Era un misterio qué había en sus profundidades: materia neutrónica ordinaria (un núcleo atómico gigante) o materia exótica de quarks, donde las partículas no están confinadas en neutrones.

Escuchar el cosmos significa armarse de paciencia y afinar el oído. Los astrónomos eligieron para ello el instrumento de baja frecuencia más sensible: el conjunto de antenas OVRO-LWA, 352 antenas dipolo dispersas a lo largo de dos kilómetros y medio en el desierto de California.

El universo no solo se expande: también resuena. Tras el Big Bang, en su tejido quedaron cuerdas tensas, finas como un protón pero pesadas como una cordillera. Sus vibraciones generan ondas gravitacionales, y en esa radiación, como en una partitura, está cifrada la historia de las simetrías fundamentales.

En las profundidades de una estrella de neutrones masiva , donde una cucharadita de materia pesa como una montaña, los quarks están comprimidos hasta una cercanía inimaginable.

Los núcleos atómicos no siempre se parecen a bolas de billar. Algunos son alargados como cigarros, otros achatados. En el xenón-129, la forma recuerda a una patata: un elipsoide abultado de tres ejes.

Diminutas balas invisibles atraviesan el Sol de lado a lado, casi sin notar su materia. Son los axiones: partículas hipotéticas tan ligeras y escurridizas que se comparan con fantasmas.

En una enorme sala se colocan cien diapasones. Cada uno de ellos es un púlsar, un resto estelar superdenso que gira a una velocidad vertiginosa y emite pulsos de radio con más precisión que cualquier reloj.

Dos núcleos de estaño chocan a una velocidad de aproximadamente dos tercios de la velocidad de la luz. Por un instante se forma una nube densa y caliente de la que salen protones en todas direcciones. Si se capturan pares de protones y se mide con qué frecuencia salen en la misma dirección, se puede calcular el tamaño de esa nube.

En 1987, los astrónomos vieron el destello de una supernova en una galaxia vecina: la Gran Nube de Magallanes. Fue un regalo poco común: la explosión ocurrió lo bastante cerca como para captar no solo la luz, sino también los neutrinos (partículas casi imposibles de detectar que atraviesan la Tierra de lado a lado).

Imagina una moneda diminuta escondida en una caja fuerte perfecta, pero cuyas paredes son tan delgadas que la moneda a veces las atraviesa, dejando un sonido apenas perceptible. Los axiones son como esas monedas, solo que en lugar de metal son partículas, y en lugar de una caja fuerte, la materia ordinaria.

En una ciudad ruidosa intentas oír un grillo. Es silencioso y alrededor rugen los coches. Para captar su chirrido, colocas un micrófono sensible y pulsas el botón de reducción de ruido. De manera similar, los físicos cazan axiones, partículas hipotéticas que podrían ser esa materia oscura que mantiene unidas las galaxias.

Tras la muerte de una estrella masiva, se produce una explosión de supernova tan potente que un solo destello brilla más que toda una galaxia. En ese fuego nacen miles de millones de axiones, partículas invisibles que apenas dejan rastro. Cada segundo, billones de estas diminutas partículas atraviesan nuestro cuerpo sin que nos demos cuenta.

Una estrella de neutrones es el núcleo comprimido de una estrella muerta, un objeto del tamaño de una ciudad pero de densidad monstruosa. Algunas de estas estrellas se convierten en púlsares, faros cósmicos que emiten pulsos de radiación estrictamente periódicos.

En las colisiones de núcleos pesados se genera una bola de fuego compuesta por miles de partículas. Entre ellas se encuentran los piones y los kaones, dos tipos de partículas ligeras muy similares entre sí. Para entender qué ocurre en esa bola de fuego, los físicos necesitan saber con exactitud cuántas partículas de cada tipo han salido.

En la oscura cámara del detector, el argón espera. Cuando una partícula invisible lo atraviesa —por ejemplo, una candidata a materia oscura—, empuja ligeramente el núcleo de un átomo de argón. El núcleo se desprende de su lugar y a su alrededor se generan cargas. Cuántas cargas exactamente no es una pregunta trivial: por su número, los físicos deducen qué visitante ha pasado.

En el sistema binario Cyg X-2, la estrella de neutrones atrae materia de una estrella compañera normal. El gas que cae se arremolina, se calienta a millones de grados y brilla intensamente en rayos X. Los astrónomos apuntaron dos telescopios espaciales, IXPE y NuSTAR, a este objeto y por primera vez midieron en detalle cómo está polarizada esa luz.

En el instituto húngaro de investigación nuclear ATOMKI, los físicos notaron algo extraño: en las desintegraciones de núcleos atómicos excitados, a veces se producen pares de electrones y positrones que se separan con un ángulo inusual. Como si entre ellos se escondiera una partícula mediadora invisible que aparece y desaparece por un instante.

Los neutrinos son partículas fantasma: predichos por el Стандартной моделью, apenas interactúan con la materia. Atraparlos es como escuchar un susurro en medio del estruendo de una cascada.

En el interior de una estrella de neutrones, la materia está tan comprimida que una cucharadita de su sustancia pesaría como una montaña. No podemos ver directamente qué les ocurre a las partículas en esas condiciones, pero las estrellas nos hablan de sí mismas a través de las ondas gravitacionales y la luz cuando dos de ellas se fusionan.

Los rayos cósmicos —partículas con una energía monstruosa— viajan en la oscuridad del espacio intergaláctico. En una colisión frontal, su fuerza puede comprimirse en un agujero negro del tamaño de un átomo.

El espectro de electrones cósmicos es como las huellas dactilares en la escena del crimen. Las partículas que llegan desde las profundidades de la Galaxia llevan en sus energías las marcas de quienes las crearon. Durante mucho tiempo la imagen fue borrosa: los instrumentos con amplios intervalos de energía, como fotografías desenfocadas, no permitían ver los detalles.