BESIII

En lo profundo de la montaña, donde los muones de los rayos cósmicos quedan amortiguados por el espesor de la roca, hay un detector que no capta la luz, sino su ausencia. El positronio es un átomo diminuto en el que un electrón y su antipartícula, el positrón, giran uno alrededor del otro como una pareja de bailarines.

El silicio-25 vive solo 219 milisegundos. En ese tiempo alcanza a emitir una partícula beta y, a veces, también un protón. Son precisamente esos protones, que salen del núcleo después de la desintegración beta, los que se han convertido en el estándar de calibración para un nuevo microscopio que los físicos han montado en el acelerador FRIB.

Durante tres días seguidos, un láser golpeó un chorro de gas y, cada segundo, se generaba un haz de electrones con una energía comparable a la de un pequeño rayo. Antes, estos haces solo se obtenían en enormes salas donde el acelerador ocupaba un edificio entero. Ahora, todo el sistema cabe en una habitación y funcionó sin fallos durante 72 horas.

El arqueólogo retira con cuidado capa tras capa, y cada nuevo estrato en la excavación del charmonio es una desintegración rara registrada por el detector.

Cuando la partícula ψ(2S) se desintegra en un protón y un antiprotón, dos mecanismos diferentes actúan simultáneamente: la interacción fuerte, como un pegamento que mantiene unidos a los quarks, y la electromagnética, como la luz que repele las cargas. Sus contribuciones se suman con un cierto desfase.

El átomo de helio es como una cuerda bien tensa: cada nota que emite está estrictamente predicha por la teoría. Pero en los últimos años, las mediciones precisas de una de esas "notas" —la energía necesaria para arrancar un electrón de un átomo de helio excitado— han comenzado a sonar un poco más agudas de lo debido.

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.

Durante mucho tiempo, los astrónomos buscaron las «fábricas» de los rayos cósmicos más energéticos — partículas que llevan en su interior un macromundo comprimido al tamaño de un núcleo atómico. Las sospechas recaían sobre colosales regiones de formación estelar como Cygnus OB2, donde chocan los vientos de jóvenes gigantes.

El leptón tau es una partícula de vida corta, un pariente pesado del electrón. Cuando se desintegra, los quarks en su interior intercambian gluones, como jugadores en una habitación cerrada que se lanzan una pelota. Los lanzamientos en sí no se ven, solo se nota el marcador final: dos piones que salen disparados en ciertos ángulos.

Una olla de agua siempre hierve igual: a cien grados, y salen burbujas. Con los líquidos cuánticos es distinto. Cuando una nube de átomos se enfría casi hasta el cero absoluto, puede convertirse en una única onda de materia: el condensado de Bose-Einstein.

Una estación de tren ruidosa en hora punta. Miles de personas se apresuran, las voces se funden en un murmullo. Y en algún lugar de esa multitud, dos personas intentan darse la mano con un gesto especial, casi imperceptible. Notar ese apretón de manos es casi imposible.

Un fuego artificial estalla y un solo punto se dispersa en cuatro chispas. Algo similar hace el bosón Z —la partícula que transmite la interacción débil— cuando se desintegra en cuatro leptones cargados (electrones o muones). El proceso es extremadamente raro: por cada millón de bosones Z producidos, solo ocurren unos cinco de estos sucesos.

Los físicos propusieron un experimento: el haz láser actúa como detector cuántico y se divide en dos haces-oreja. Cada oreja se dirige a través de una diminuta nube de átomos ultrafríos —en ese estado los átomos se funden en una sola onda.

Una moneda cayendo de canto: así de raro es que un mesón B pesado se desintegre en un pión ligero y un par electrón-positrón. En una década de funcionamiento del colisionador, solo se ha acumulado un puñado de estos sucesos, pero los físicos por fin han podido distinguirlos.

Una gota de agua en un campo eléctrico intenso se alarga. El núcleo del deuterio, un par ligado de protón y neutrón, se comporta de manera similar, solo que aquí el campo lo crea un fotón gamma que pasa, y en lugar de estirarse, el núcleo puede simplemente romperse.

En el detector LHCb, donde chocan protones, entre miles de millones de desintegraciones se encontró una huella inusual. La partícula, llamada $$D_{s1}$$(2933)^+, aparece por un instante y se descompone inmediatamente en otras partículas. Su vida es tan corta que no se puede ver directamente; solo a través de los productos de su desintegración se puede reconstruir que existió.

En el detector CMS del Gran Colisionador de Hadrones chocaron protones acelerados casi a la velocidad de la luz. Entre miles de millones de estas colisiones, los físicos buscaban una huella rara: el nacimiento de una partícula pesada que se deshace al instante en un bosón W y un quark b.

Los quarks son los diminutos ladrillos con los que están hechos los protones y los neutrones. Normalmente se mantienen en parejas: una partícula y su gemelo especular, la antipartícula. Pero a veces los quarks forman combinaciones más extrañas, que los físicos llaman exóticas.

Cuando dos partículas vuelan casi a la misma velocidad y en la misma dirección, sus señales en el detector se funden, como dos voces al unísono. Distinguir un dúo de un solista es todo un arte.

Entre 2016 y 2018, en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, los protones chocaron con una energía de 13 teraelectronvoltios, como si dos guisantes se aceleraran hasta velocidades en las que su impacto engendra un enjambre de nuevas partículas.

Cada segundo, en nuestros cuerpos ocurren miles de millones de desintegraciones, pero nadie lo nota. Sin embargo, los físicos sí lo notan: hacen chocar partículas en aceleradores y observan en qué fragmentos se dispersan. En esos fragmentos se esconde la respuesta a por qué existimos.

Una balanza con pesas idénticas, pero un platillo siempre pesa más. En el mundo de las partículas elementales, ese desequilibrio se llama violación de la simetría CP: las partículas y sus gemelos especulares (las antipartículas) se comportan de manera ligeramente diferente.

Una carretera circular alrededor del Sol por la que no circulan automóviles, sino paquetes de materia. El diámetro de esta carretera es de años luz: rodea nuestro sistema planetario por su borde exterior, en la nube de Oort, donde aún se siente la débil atracción de la estrella.

En el acelerador bajo Pekín, electrones y positrones chocan y, por un instante, nacen partículas que no se encuentran en la materia ordinaria. Una de ellas es la lambda-c-plus: en su interior lleva un pesado quark encantado, como una piedra en una honda.

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.

La partícula J/psi vive un instante y luego se desintegra en partículas más ligeras, como una cuerda que se rompe y se dispersa en fragmentos. Los físicos de la colaboración BESIII han capturado más de diez mil millones de estas desintegraciones para averiguar qué 'fragmentos' se producen.

Cuando un bosón W (la partícula que transmite la interacción débil) se desintegra en un quark y un antiquark, a la enorme velocidad del colisionador estos dos fragmentos vuelan casi en la misma dirección.

Dentro del protón y del neutrón hierve la vida: los quarks intercambian gluones y, por un instante, surgen pares de partículas que desaparecen al momento. Algunas de ellas, los llamados mesones escalares, viven solo 10⁻²³ segundos: menos de lo que tarda la luz en atravesar el núcleo atómico.

En 2010, los físicos del Gran Colisionador de Hadrones obtuvieron por primera vez plasma de quarks y gluones —un estado de la materia en el que los quarks y gluones están libres, como el agua en vapor, y no encerrados dentro de protones y neutrones.

Una diminuta partícula fantasma atraviesa un trozo de germanio. Normalmente no deja rastro, pero a veces, como una bola de billar, golpea el núcleo de un átomo. El núcleo rebota y ese empujón se puede detectar. En Oak Ridge, en el laboratorio nacional, el detector Ge-Mini estuvo captando esos rebotes durante dos años. Los neutrinos son las partículas conocidas más escurridizas.

El leptón tau es un pariente pesado del electrón que vive menos de una billonésima de segundo. Normalmente se desintegra en partículas más ligeras, pero nunca directamente en tres muones: esa transición está prohibida por las leyes conocidas de la física de partículas. Si ocurriera, significaría que en la naturaleza actúan fuerzas desconocidas.

Una diminuta esfera de vidrio flota en un haz láser, como una mota de polvo en la luz del sol. Dentro de ella hay plomo radiactivo que, de vez en cuando, se desintegra. Cada desintegración expulsa partículas cargadas, y la esfera pierde o gana una carga eléctrica minúscula.

En un anillo subterráneo de 27 kilómetros de circunferencia, los protones se aceleran hasta casi la velocidad de la luz y se hacen chocar de frente. En el punto de impacto se recrean por un instante condiciones similares a las de la primera billonésima de segundo tras el nacimiento del Universo.

En 2017, en el Gran Colisionador de Hadrones, los protones chocaron a una energía de 5,02 TeV. El detector CMS registró esas colisiones y, entre miles de millones de eventos, los físicos buscaban un caso raro: la producción de un único quark top sin su antipartícula.

Las nubes de hidrógeno brillante en otras galaxias se parecen a una esponja: el gas en sí ocupa solo una pequeña parte del volumen, y el resto es casi vacío. Durante mucho tiempo, los astrónomos solo podían especular sobre cuán 'agujereadas' son estas nebulosas. Ahora, un grupo de científicos ha propuesto un método para medirlo.

Titán, la luna más grande de Saturno, está envuelto en una densa neblina anaranjada. Está compuesta por hidrocarburos y otras moléculas orgánicas que nacen cuando la luz solar descompone el metano y el nitrógeno en las capas altas de la atmósfera.

Cuando un protón rápido choca contra el núcleo de un átomo, por un instante nacen partículas nuevas. Una de ellas es el mesón fi: un cúmulo de materia de vida corta que se desintegra en un par electrón-positrón. Captar esa desintegración es como oír el eco de una explosión lejana: la explosión ya terminó, pero su rastro aún vuela.

En el acelerador circular, los electrones se aceleran hasta casi la velocidad de la luz y chocan contra los positrones, sus antipartículas. En el punto de encuentro surge por un instante un cúmulo de energía pura del que nacen nuevas partículas. El detector BESIII, como una cámara de alta velocidad, capta las huellas de estos visitantes efímeros.

La colisión de un electrón y un positrón en el colisionador BESIII produce una partícula de vida muy corta: el barión encantado Λc+. En su interior, como en una caja abarrotada, nace rápidamente otra partícula: el hiperón Λ.

En las profundidades del Gran Colisionador de Hadrones, los núcleos de plomo chocan con tal fuerza que por un instante se crea materia más caliente que el Sol. Es el plasma de quarks y gluones: una sopa de los ladrillos más pequeños de la materia que solo existió en los primeros microsegundos después del Big Bang.