barión

El mapa de la materia nuclear densa se asemeja a un mapa de carreteras: las líneas de transición de fase se cruzan en puntos críticos, como las autopistas en los cruces. Hasta ahora, en ese mapa se encontraban dos cruces: la transición nuclear líquido-gas y la de desconfinamiento, donde los hadrones se descomponen en quarks.

Tres voces que se funden en un solo acorde. En la física de materiales cuánticos, esta imagen cobra un sentido literal: tres capas de grafeno, separadas por finos espaciadores, hacen que electrones y huecos de distintas capas se muevan como un único líquido.

Una estrella de neutrones es lo que queda después de la explosión de una estrella masiva. Su materia está tan comprimida que una cucharadita pesaría miles de millones de toneladas. En tales condiciones, los protones y neutrones pueden reorganizarse y aparecen nuevas partículas: los hiperones, similares a los neutrones pero que contienen un quark 'extraño'.

Tres bolas de billar tras el impacto se dispersan por la mesa: sus trayectorias dependen solo del impulso inicial. Pero en el mundo de los núcleos atómicos todo es más complejo: las partículas se sienten entre sí en movimiento, incluso si no están ligadas en un todo.

El protón no es una bolita sólida, sino una diminuta prisión. Dentro están encerrados tres quarks, y el campo de gluones les impide escapar: algo así como hilos invisibles que se vuelven más fuertes cuando los quarks intentan separarse.

Una estrella de neutrones es un caldero hirviente del tamaño de una ciudad, pero con una masa de una vez y media la del Sol. En sus profundidades, la materia está tan comprimida que los núcleos atómicos pierden su sentido.

El agua en un vaso parece continua, pero está formada por moléculas. De manera similar, durante mucho tiempo los físicos describieron la materia dentro de una estrella de neutrones como una sopa homogénea de protones y neutrones. Pero las estrellas de neutrones reales no son sopa. Son una multitud apretada de partículas donde cada neutrón siente a sus vecinos.

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.

En junio de 2024, el radiotelescopio CHIME registró desde la fuente FRB 20240114A más de 700 estallidos de radio por hora. Este repetidor hiperactivo libera en una hora casi toda la energía magnética de un magnetar común (estrella de neutrones con campo ultraintenso).

El interior de las estrellas de neutrones es el reino de la materia degenerada. Aquí los protones se condensan en un condensado superconductor, atravesado por vórtices cuánticos. Imagina diminutos trompos magnéticos: cada uno lleva un cuanto de flujo magnético y se desliza a través del líquido de electrones.

En los aceleradores, al hacer colisionar núcleos pesados, los físicos crean brevemente un plasma de quarks y gluones: un estado de la materia en el que los quarks y los gluones no están confinados dentro de partículas, sino que son libres. Durante mucho tiempo se pensó que era un gas, pero los experimentos mostraron que es un líquido casi perfecto.

El Universo es un cocinero genial, y el Big Bang es su receta perfecta. El hidrógeno subió esponjoso, el helio se fundió suave, pero el litio-7 parecía demasiado salado: la teoría predice tres veces más del que los astrónomos encuentran en las estrellas más antiguas.

Dentro de una estrella de neutrones, la materia se comprime tanto que los núcleos atómicos dejan de ser grumos separados. Los neutrones y los protones se acercan entre sí, y sus interiores —los quarks— comienzan a sentir a los vecinos a través de las paredes de sus "sacos".

En un lado de la balanza está toda la materia del universo; en el otro, toda la antimateria. Según las leyes de la física, en el momento del nacimiento del mundo los platillos deberían haberse equilibrado. Pero vemos que un lado pesa más: a nuestro alrededor hay estrellas, planetas, personas, y casi nada de antimateria. Este desequilibrio es uno de los grandes misterios.

Núcleos atómicos envueltos en esponjosos abrigos de electrones: con semejante ropa, no hay abrazo que valga. Pero cambia el abrigo ligero por uno pesado: el muón, una partícula del modelo estándar, comprime la nube casi 200 veces.

En el mundo de las partículas elementales existe un antiguo enigma: ¿por qué las masas del electrón, el muón y la partícula tau difieren tanto? ¿Y por qué los quarks — los ladrillos de protones y neutrones — también se dividen en tres generaciones con un salto brusco de masas?

En los primeros instantes tras el Big Bang, la materia y la antimateria deberían haber nacido en igual cantidad. Pero hoy solo vemos materia: estrellas, planetas, nosotros mismos. ¿Dónde quedó la antimateria? Una de las pistas se esconde en partículas casi imperceptibles: los neutrinos diestros.

El fin del universo no es simplemente oscuridad. Si la energía oscura lo desgarra en pedazos o si se contrae de nuevo en un punto, como un Big Bang al revés, se produce una singularidad: el momento en que la física convencional falla. Durante mucho tiempo se creyó que en ese incendio cósmico todo desaparecía.

Un puñado de arena que pesa como una pequeña montaña: así son aproximadamente los strangelets, diminutos grumos de "materia extraña" de quarks, donde las partículas están comprimidas hasta densidades inimaginables. En un nuevo trabajo, los astrofísicos han comprobado si tales objetos pueden existir en la naturaleza y qué aspecto tendrían.

Una gota de nata grasa en un vaso de leche. Si lo agitas, la grasa no se dispersa uniformemente: se acumula en grumos más densos que se mueven de manera distinta al resto del líquido. Algo parecido ocurre con los quarks dentro de los mesones, unas partículas diminutas que viven fracciones de segundo insignificantes.

El universo está estructurado como una esponja: tiene regiones densas, repletas de galaxias y gas, y poros gigantes — los vacíos cósmicos. Estos vacíos ocupan la mayor parte del espacio, pero su contenido seguía siendo un misterio — la materia allí casi no se manifiesta.

En el primer segundo después del Big Bang, el universo era un caldero hirviente de energía. Pares de 'partícula-antipartícula' nacían y se aniquilaban mutuamente al instante. Pero por cada mil millones de esos pares, una partícula de materia sobrevivía — y ese remanente se convirtió en estrellas, planetas, personas.

Si intentas partir un protón y sacar un quark, te llevas una sorpresa. Las fuerzas ordinarias, como la eléctrica, se debilitan cuando las partículas se separan. Aquí es al revés: cuanto más lejos está el quark de sus vecinos, más fuerte es el tirón que lo devuelve.

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.

Una enorme nube oscura de gas se extendía por el universo joven. En su interior, como dedos invisibles, se entrelazan las líneas de campo magnético que quedaron del mismo nacimiento del mundo. Estos campos actúan sobre las partículas cargadas, empujándolas unas hacia otras, como un viento suave que amontona las hojas caídas.

Dentro de una estrella de neutrones, la densidad no cambia suavemente, sino que cae en picado con escalones bruscos: los escalones de densidad. En esos escalones, el vacío de repente produce pares: neutrinos y antineutrinos.

Las partículas pesadas que los físicos llaman bariones se parecen a pequeñas familias de tres quarks. Los bariones ordinarios son los protones y neutrones que componen todo lo que nos rodea. Pero también hay parientes exóticos: en lugar de quarks ligeros, albergan quarks encantados o quarks fondo, que son pesados y de vida efímera.

Si el núcleo de un átomo es una familia, en la casa del helio común viven dos protones y dos neutrones, bien agarrados de la mano. Ahora imagina que uno de los miembros de la familia es un excéntrico al que le encanta pasear lejos de casa.

En las colisiones de protones del Gran Colisionador de Hadrones, los físicos han atrapado por primera vez una partícula con dos quarks encantados. Se llama Ξcc+ (se pronuncia «ksi-ksi-más») y se parece a una cuenta que, en lugar de un núcleo pesado, tiene dos.

Justo después del Big Bang el Universo era como una sopa burbujeante: del vacío emergían y se hundían pares de partículas y antipartículas. Pero la brusca expansión — época descrita por Alan Guth y Andrei Linde — selló esa olla con una tapa.

El protón no es una bolita compacta. Su carga, su masa y otras propiedades se distribuyen en el espacio de maneras distintas, y cada propiedad tiene su propio radio. Los físicos saben desde hace tiempo cómo medir dónde se concentra la carga del protón y dónde está su masa.

En un enorme acelerador de partículas, donde protones a velocidades cercanas a la de la luz chocan contra un blanco de neón, nacen los bariones encantados: partículas que viven menos de una milmillonésima de segundo.

El núcleo atómico no es una esfera sólida, sino una gota de líquido que se puede comprimir. Para entender cuán elástica es, los físicos aceleran núcleos de oro y los hacen chocar entre sí. En el impacto, la materia se comprime hasta densidades similares a las de una estrella de neutrones y luego se dispersa.

En el centro de una estrella de neutrones, la materia está tan comprimida que los protones y los neutrones se transforman en partículas más pesadas: los hiperones. Estas partículas se parecen a los neutrones, pero contienen un quark extraño. Durante mucho tiempo, los físicos no podían entender cómo una estrella con hiperones en su interior podía ser tan pesada como muestran las observaciones.

En un acelerador de partículas, la anti-lambda es un invitado raro. Nace en pleno vuelo, vive una fracción diminuta de segundo y normalmente se desintegra por sí sola. Pero a veces alcanza a chocar con un protón ordinario, y entonces nace todo un haz de partículas ligeras: kaones, piones.

Dentro de un trozo de material magnético, los espines de los electrones —pequeñas agujas magnéticas— suelen alinearse en patrones simples. A veces se enrollan en vórtices, como el agua en un remolino, y estos vórtices pueden anudarse.