detector CMS

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 lugar de un baño de hielo, una camisa de gas caliente. Así es como ahora se enfría el comparador criogénico de corriente en el Instituto Nacional de Metrología de Japón. Antes, este instrumento, que compara corrientes eléctricas con una precisión de milmillonésimas, requería sumergirse en helio líquido.

En el sur de la India, en la ciudad de Madurai, entre 2018 y 2022 estuvo un peculiar "cazador" de partículas cósmicas: el prototipo mini-ICAL, de 85 toneladas. Es una versión 600 veces más pequeña del futuro detector de neutrinos (esquivas partículas fantasma) que se construirá en las profundidades de la Tierra.

En el anillo de 21 kilómetros de Protvino, en las afueras de Moscú, se planeó alguna vez acelerar protones. Hoy, ese mismo túnel podría albergar una máquina muy diferente: un colisionador de muones. El muón es un pariente pesado del electrón, y ahí reside su fuerza.

La cosmología se parece a una orquesta en la que los distintos grupos de instrumentos de repente empezaron a tocar descoordinados. Las mediciones de la velocidad de expansión del universo (la constante de Hubble) basadas en el universo temprano y en el tardío arrojan números diferentes.

A finales de los años 1990, el cielo estrellado nos dio una sorpresa: Saul Perlmutter y Adam Riess descubrieron que la expansión del Universo se acelera.

Dos péndulos cuelgan de la misma barra. Un empujón y comienzan a oscilar, acercándose y alejándose del ritmo. En un qubit topológico, el papel de esos péndulos lo desempeñan las partículas de Majorana — excitaciones especiales capaces de almacenar información cuántica.

Intentar contar a las personas en una habitación oscura por el sonido de su respiración choca con el ruido general: no se oyen las respiraciones individuales. Un problema similar enfrentan los científicos que trabajan con espines cuánticos en sólidos. Cada espín (el momento magnético del electrón) tiene su propia "voz", pero el ruido técnico de los instrumentos la ahoga.

El universo a los 700 millones de años es una obra ruidosa donde apenas empiezan a encenderse las primeras luces. Los telescopios captaron una señal de esa época lejana: la galaxia REBELS-25, masiva y repleta de combustible estelar.

Cuando una estrella masiva muere, su núcleo se contrae y se produce la explosión de una supernova. El cataclismo genera torrentes de partículas, como las ondas al lanzar una piedra. Primero llegan los neutrinos veloces, que atraviesan la Tierra casi sin interactuar. Luego, con horas de retraso, aparecen las partículas fantasma de carga minúscula.

Cada segundo, unas cien partículas invisibles atraviesan tu cuerpo: los muones. Nacen en lo alto del cielo cuando los rayos cósmicos chocan con los átomos del aire y caen sobre la Tierra como lluvia. Estas partículas son tan penetrantes que pueden atravesar un edificio de varios pisos, pero al encontrar materia densa, como plomo o uranio, se desvían ligeramente.

Una fotografía antigua, tomada en el momento del nacimiento del universo, nos trae su luz desde hace casi 14 mil millones de años. Esta imagen es la radiación cósmica de fondo, el eco enfriado del Big Bang. En ella quedaron registradas las mínimas irregularidades de las que más tarde crecieron las galaxias.

Hielo, agua, vapor: transiciones de fase que todos conocemos. Pero, ¿qué ocurre si comprimimos y calentamos el propio núcleo atómico? Los teóricos creen que los protones y neutrones que lo forman se "funden", liberando piezas más pequeñas: los quarks y gluones del modelo estándar.

En lo profundo del detector del Gran Colisionador de Hadrones chocan protones y, por un instante, nace algo pesado. Se desintegra al instante en dos bosones de Higgs, partículas que, como muñecas rusas, esconden en su interior dos pares de quarks b.

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.

En un denso capullo de gas alrededor de una joven estrella masiva, como en un gigantesco matraz químico, chocan flujos de materia. Uno de ellos se mueve respecto a nosotros a unos 11 kilómetros por segundo, el otro a unos 5.

Dos relojes marcan horas distintas. Uno está en nuestra mesa; el otro, en el pasado remoto, en la luz que quedó tras el Big Bang.

Dentro del detector, similar a un gran termo con germanio, se generan débiles destellos. Los neutrinos, partículas diminutas que casi no interactúan con la materia, ocasionalmente golpean los núcleos de germanio. El núcleo vibra y el detector registra ese empujón. Pero para distinguir una señal real del ruido, el instrumento debe calibrarse con precisión.

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.

En el corazón mismo de la Vía Láctea, algo brilla continuamente en rayos gamma. Es una luz especial, con una energía de exactamente 511 mil electronvoltios. Esa energía surge cuando un electrón se encuentra con su antipartícula, un positrón, y ambos desaparecen dejando un destello de luz.

El bosón de Higgs es como un director de orquesta que otorga masa a todas las demás partículas. Sin él, los electrones no tendrían masa y los átomos se desintegrarían. Pero, ¿cómo interactúa el director consigo mismo? Esta es la pregunta clave que deberá responder el futuro colisionador de muones.

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.

Las gotas de aceite en un caldo hirviendo normalmente se separan, pero si chocan muy lentamente, pueden pegarse por un instante. Algo parecido ocurre con los quarks top, los ladrillos más pesados de la materia conocida.

La luz, girada en una dirección, incide sobre un protón. La partícula puede absorber el fotón o rechazarlo, y esto depende de cómo esté orientado su propio espín, ese pequeño trompo interno.

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.

En el Gran Colisionador de Hadrones chocan protones y del destello nacen decenas de partículas. Entre ellas pueden estar las huellas de procesos raros, como la desintegración del bosón de Higgs en dos bosones W. Pero estas partículas se dispersan tan rápido que sus huellas se funden en un único chorro ancho.

Los rayos cósmicos son partículas que nos llegan desde el espacio profundo. Cuando una de estas partículas choca contra la atmósfera, genera toda una lluvia de nuevas partículas, como una bola de billar que rompe el triángulo y las bolas salen disparadas en todas direcciones.

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.

Chocar dos núcleos de plomo en el Gran Colisionador de Hadrones es como lanzarse mutuamente dos bolsas pesadas llenas de canicas. Normalmente las canicas salen disparadas en todas direcciones, pero a veces una bolsa pasa tan cerca que las canicas no chocan, solo se cruzan miradas.

En los enormes aceleradores, las partículas atraviesan los detectores en milmillonésimas de segundo, y para distinguirlas entre sí se necesita un cronómetro de increíble precisión. El nuevo detector µRWELL-PICOSEC actúa como tal cronómetro: captura el momento del paso de una partícula con una precisión de 48 picosegundos, es decir, 48 billonésimas de segundo.

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.

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 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 cámara que busca tumores funciona como una cámara fotográfica muy sensible: capta el débil resplandor de una sustancia que se acumula en las células enfermas. En los aparatos convencionales, la luz nace en un cristal, una pieza sólida parecida al vidrio. Pero el cristal no siempre transmite con exactitud dónde se produjo el destello, y la imagen sale ligeramente borrosa.

En la cocina, dos haces de linternas se atraviesan mutuamente sin notarse. La luz casi no interactúa con la luz. Pero si se aceleran partículas a energías enormes, dos fotones pueden colisionar y dar lugar a algo nuevo.

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.