quark encanto

En física nuclear, un enigma llevaba tiempo sin resolverse: ¿por qué entre los elementos más ligeros que el bismuto solo el tecnecio (n.º 43) y el prometio (n.º 61) no tienen ni un solo isótopo estable? Todos sus vecinos en la tabla periódica pueden presumir de al menos una variante de larga vida, pero estos dos parecen escapar a la regla general.

El espacio-tiempo no está vacío: tiembla. Tras el Big Bang, el universo estaba lleno del zumbido de las ondas gravitacionales, similar al grave tañido de una campana gigante.

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.

Tres pesas de forma inusual yacen sobre una mesa. Su peso exacto es desconocido, pero basta con colocarlas en una balanza de platillos en cierta combinación —y la aguja siempre señala el mismo número mágico. Así se ve aproximadamente el enigma que los físicos llaman la relación de Koide para los tres leptones cargados: el electrón, el muón y la partícula tau.

La materia ordinaria está formada por átomos, y los átomos por núcleos y electrones. Pero en una estrella de neutrones, la gravedad comprime la materia tan fuertemente que los electrones se incrustan en los protones, y casi todo se convierte en un denso empaquetamiento de neutrones.

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.

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.

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.

El agua hierve a cien grados en una tetera, pero si se comprime fuertemente, se comporta de otra manera. De forma similar, los quarks y los gluones —los ladrillos que forman protones y neutrones— cambian sus propiedades en un campo magnético intenso.

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.

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.

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.

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.

Un cristal del tamaño de media caja de cerillas se cultivó en un horno donde una zona fundida se deslizaba lentamente a lo largo de una varilla, dejando capas perfectamente ordenadas. Dentro de este cristal, los iones de cobre se asientan en los nodos de una red triangular, pero los triángulos están ligeramente torcidos, como si alguien hubiera presionado una esquina.

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.

En el Gran Colisionador de Hadrones, acelerando partículas a velocidades cercanas a la luz, se producen quarks top, los ladrillos más pesados del modelo estándar. Viven fracciones insignificantes de segundo, pero alcanzan a manifestar complejos vínculos cuánticos.

En el centro de la colisión de dos núcleos de plomo nace por un instante una diminuta bola de fuego: materia tan caliente que los protones y neutrones se funden, y los quarks y gluones nadan libremente en esa 'sopa'. Esa sopa se llama plasma de quarks y gluones. Existió en los primeros microsegundos después del Big Bang, y ahora se recrea en los aceleradores.

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.

El quark top es el ladrillo más pesado de la materia conocida, pero la teoría predice un gemelo esquivo, el quark T, que podría ser varias veces más pesado. Para hacerlo visible, los físicos colisionan protones con muones — parientes inestables del electrón.

Dos peonzas se lanzan simultáneamente en direcciones opuestas. Si una gira hacia la izquierda, la otra siempre gira hacia la derecha, sin importar cuán lejos se separen. Así funciona aproximadamente el entrelazamiento cuántico, solo que en lugar de peonzas tenemos quarks top, las partículas más pesadas conocidas.