detector 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.

Imagina una cinta transportadora por la que cada segundo pasan 30 millones de paquetes, y un controlador debe decidir al instante qué hay dentro: ¿carga valiosa o basura? En el Gran Colisionador de Hadrones, esa cinta es el disparador del experimento LHCb, que selecciona desintegraciones raras de partículas entre miles de millones de colisiones.

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.

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.

Células de un vaso sanguíneo se sembraron sobre una película transparente de 700 nanómetros de grosor, cien veces más fina que un cabello humano. Bajo la película se ocultan electrodos planos. Envían una corriente alterna débil y escuchan cómo cambia la resistencia.

Un radar normal se parece a un micrófono en una multitud ruidosa: los sonidos individuales se mezclan en un caos. PiVoT funciona como un director de orquesta que, en medio del caos de la afinación, reconoce al instante cada instrumento.

La materia oscura es el arquitecto invisible del Universo, que evita que las galaxias se dispersen. Gracias a Fritz Zwicky y Vera Rubin sabemos que la materia ordinaria en el cosmos es solo una ínfima impureza. Pero, ¿qué se esconde detrás de esta materia oscura?

3I/ATLAS irrumpió en el Sistema Solar como un invitado no deseado, un regalo del destino para los cazadores de inteligencia extraterrestre.

Una moneda diminuta orbita alrededor de una pesada bola de bolos. La moneda es un pequeño agujero negro o una estrella de neutrones, y la bola es un agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia.

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.

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 diminuta cuenta de vidrio flota en un rayo láser como una mota de polvo en la luz del sol. A su alrededor hay un gas enrarecido: átomos de criptón, xenón y pesadas moléculas de hexafluoruro de azufre. Chocan contra la cuenta, y cada impacto le transmite un diminuto impulso, como un guisante lanzado contra una sábana tensa que la hace vibrar.

Una nube fría de átomos se parece a un enjambre de luciérnagas que se sienten atraídas entre sí. La atracción entre los átomos intenta reunirlos en una masa densa. Pero el temblor cuántico —el movimiento inevitable de las partículas— impide que la masa colapse. Cuando la atracción es fuerte, la nube se divide en cúmulos separados.

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.

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.

Protones acelerados a enormes energías chocan contra una gruesa placa metálica, como balas contra una armadura. Dentro del metal, por un instante, nace una partícula J/ψ que inmediatamente se desintegra en dos muones, parientes ligeros del electrón. Estos muones salen del blanco y los detectores capturan sus huellas.

Cuando colisionan núcleos pesados en aceleradores, se producen muchas partículas, y los físicos quieren entender cómo se mueve la carga eléctrica en ese caos. Dos trenes chocan entre sí: los pasajeros (quarks) salen despedidos, pero su equipaje (la carga) puede terminar lejos del lugar del accidente.

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.

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.

En el Gran Colisionador de Hadrones, los protones chocan a casi la velocidad de la luz. A veces no se rompen, sino que intercambian fotones, las partículas de la luz. Estos fotones pueden crear un par: una partícula que el detector ve y otra que se escapa sin ser detectada.

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.

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.

Un transistor de potencia de carburo de silicio opera bajo voltajes miles de veces superiores a los de un enchufe doméstico. Si el campo se distribuye de manera desigual en su interior, el dispositivo se quema. Antes no se podía ver ese campo: es demasiado intenso para los sensores convencionales, y el dispositivo debe permanecer bajo tensión.

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.

Dos gemelos se ven idénticos, pero uno es zurdo y el otro diestro. En el mundo de las partículas elementales existen pares similares: Ξ⁻ y su antipartícula Ξ⁺. Nacen juntas en la desintegración de la partícula J/ψ y, como gemelos entrelazados, mantienen una conexión incluso a distancia.

En el laboratorio japonés KEK, los electrones y sus antipartículas, los positrones, chocan dentro del detector Belle II. En estas colisiones, por un instante, nacen nuevas partículas. Entre ellas, la J/ψ, un estado ligado del quark encantado y su antiquark.

En el acelerador BEPCII, electrones y positrones colisionan y producen miles de millones de partículas. Entre ellas, el mesón J/ψ, que vive menos de una milmillonésima de segundo. Su desintegración a veces da lugar al mesón eta (ηc), un cúmulo de quarks aún más efímero.

En 2018, el Gran Colisionador de Hadrones llevó a cabo una recolección de datos especial: el detector CMS capturaba colisiones de protones a una velocidad vertiginosa para acumular diez mil millones de partículas con quark belleza.

En la oscuridad se enciende una chispa diminuta. Un rayo gamma nacido dentro del cuerpo del paciente incide en un cristal y arranca de él un haz de luz. La tarea del detector es saber exactamente dónde ha ocurrido. Cuanto más precisa sea la respuesta, más nítida será la imagen en la pantalla del tomógrafo.

En un acelerador de plasma, las partículas se aceleran como surfistas sobre una ola creada en el plasma. Si el paquete líder y el paquete trasero no viajan en la misma línea, surge una inestabilidad que sacude al paquete trasero. Es como si un surfista en una ola comenzara a zigzaguear de un lado a otro: su trayectoria se degrada y puede caerse de la ola.

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.

Los vagabundos interestelares son rocas y bloques de hielo que se han liberado de sus sistemas planetarios de origen y ahora vuelan a través de la galaxia. El primero de estos visitantes, Oumuamua, pasó junto al Sol en 2017, seguido por el cometa Borisov y el objeto ATLAS. ¿De dónde vienen?

En los aceleradores gigantes, las partículas viajan casi a la velocidad de la luz y chocan de frente. Pero a veces un haz resulta un poco más denso que el otro, como si en una escalera mecánica abarrotada alguien se pusiera en el sentido contrario. Entonces las colisiones ocurren de manera desigual y los instrumentos empiezan a "parpadear", alterando las mediciones.

En el detector LHCb del Gran Colisionador de Hadrones chocan protones y, por un instante, nacen partículas que no existen en la materia ordinaria. Una de ellas es el mesón B neutro. Vive menos de una milmillonésima de segundo y se desintegra en otras dos partículas: la resonancia estrecha J/ψ y la más ancha ρ(770).

En el acelerador de partículas de Pekín se hacen colisionar electrones con positrones, y por un instante nace una partícula llamada eta-sub-c. Vive una fracción diminuta de segundo y se desintegra en otras partículas. Uno de los caminos más raros es desintegrarse en dos fotones, las partículas de luz. Hasta ahora nadie podía decir con exactitud con qué frecuencia ocurre esto.

En el detector BESIII, las partículas representan una obra de teatro: chocan, nacen y se desintegran, dejando destellos de luz. Pero a veces un actor puede salir del escenario sin ser visto, por una puerta secreta que las cámaras no captan. Los físicos buscaban precisamente esas desintegraciones "silenciosas", en las que una partícula se convierte en algo invisible para los instrumentos.