energía de colisión

En la fría nube TMC-1, donde la temperatura no supera los diez grados por encima del cero absoluto, las moléculas apenas se encuentran entre sí. Pero de vez en cuando un átomo de helio las atraviesa, y ese breve contacto basta para que la molécula cambie su rotación. Son precisamente esas colisiones las que determinan qué radiación vemos desde la Tierra.

Un cristal de óxido de cobre parece una piedrecita de color rojo oscuro. Pero basta con que incida en él un pulso láser corto para que en su interior nazcan pares: un electrón y un «hueco», el lugar donde falta un electrón.

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.

En el centro de una galaxia lejana, donde gira un agujero negro supermasivo con una masa de cien millones de soles, el espacio está atravesado por campos magnéticos. Están enrollados en torbellinos apretados, como un embudo en una concha, solo que en lugar de agua hay plasma acelerado a velocidades cercanas a la de la luz.

2.1 × 10⁻⁹ es aproximadamente la variación de temperatura en el cielo, como si en la superficie del océano se midieran ondas de una fracción de milímetro de altura. Esta minúscula inhomogeneidad está grabada en el fondo cósmico de microondas y nos habla del origen mismo del tiempo.

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.

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.

Si metes dos termómetros idénticos en una olla con agua caliente, marcarán lo mismo, y nos tranquilizamos: la temperatura está bien medida. Pero en un gas enrarecido calentado a millones de grados, este truco deja de funcionar. Aquí las partículas casi no chocan entre sí, por lo que los electrones más rápidos se escapan, mientras que los lentos se acumulan en el centro.

Dos haces deslumbrantemente brillantes chocan de frente. En el punto de encuentro, por un instante, nace una partícula: la misma que es responsable de la masa de todo lo que existe. Es el bosón de Higgs. Normalmente se obtiene acelerando protones o electrones, pero aquí los proyectiles son las propias partículas de luz: los fotones.

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.

En el Gran Colisionador de Hadrones, los protones chocan miles de millones de veces por segundo, y solo una vez por billón de colisiones se produce un par de bosones de Higgs (las partículas responsables de la masa de todo lo que existe). En el experimento CMS, los físicos rastrearon precisamente esos eventos.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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 el detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones, los protones chocan con una energía enorme y, entre los escombros, a veces nace un bosón de Higgs: la partícula que da masa a otras partículas.

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.

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.

En el Gran Colisionador de Hadrones se hacen chocar protones con núcleos de plomo. En el momento del impacto nacen cientos de partículas nuevas, y algunas salen en haces estrechos: los chorros.

En los primeros instantes tras la colisión de dos núcleos de plomo en el Gran Colisionador de Hadrones, se genera una diminuta bola de fuego: una sopa de quarks donde las partículas se mueven libremente. Si en ese momento surge un campo magnético muy intenso, puede separar las cargas positivas y negativas, como un peine separa el cabello en mechones.

En el Gran Colisionador de Hadrones no solo chocan protones, sino también núcleos atómicos completos. Cuando dos núcleos chocan a gran velocidad, se genera un diminuto volumen de materia sobrecalentada, tan caliente que los protones y neutrones se funden y se convierten en una 'sopa' de quarks y gluones.

Cuando dos protones chocan a gran velocidad, del punto de impacto sale un haz estrecho de partículas: un chorro, parecido a las salpicaduras de una piedra lanzada al agua. En las colisiones de núcleos pesados de plomo, todo es más complejo: en su interior surge una nube caliente que impide que el chorro vuele en línea recta.

En el detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones, los protones chocan miles de millones de veces por segundo. Entre ese torrente, los físicos han capturado ocho eventos en los que, tras el impacto, surgieron a la vez dos partículas Z del modelo estándar y un fotón.

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.

Cuando un protón choca contra un núcleo de plomo en el Gran Colisionador de Hadrones, nace un enjambre de partículas. Se dispersan en todas direcciones, pero no del todo al azar: su movimiento recuerda a las ondas en el agua al lanzar una piedra. Los físicos llaman a esta dispersión ordenada «flujo».

La materia oscura es invisible, pero se puede atrapar en el rebote. El hidrógeno incrustado en una película de carbono actúa como una bola de billar: cuando una partícula de materia oscura lo golpea, el protón sale disparado. Esa salida es la señal que se busca.

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.

En el Gran Colisionador de Hadrones, los físicos aceleran protones hasta casi la velocidad de la luz y los hacen chocar. Normalmente, en estas colisiones participan los propios protones, pero a veces pasan muy cerca sin tocarse, y lo que interactúan son sus campos eléctricos.