simetría CP

Un espejo común intercambia la izquierda y la derecha. Muchas leyes de la física no notan tal sustitución: son simétricas especularmente. Pero algunos fenómenos, como la interacción débil, rompen esta simetría. Hasta ahora se creía que la gravedad y la luz rompían la simetría especular cada una por su cuenta, de manera independiente.

En los primeros instantes después del Big Bang, la materia y la antimateria estaban casi en proporciones iguales. Pero algo rompió el equilibrio y, al final, solo quedó un diminuto exceso de partículas ordinarias: precisamente ese del que están hechas las estrellas, los planetas y nosotros mismos.

El vacío cuántico no está vacío: está atravesado por entrelazamiento que conecta regiones distantes. Pero cuando los físicos intentaron calcular este entrelazamiento, resultaba infinito. La causa son partículas de energía muy baja que pueden extenderse por un volumen arbitrariamente grande. Son como olas a las que no se les han puesto orillas.

El universo temprano no era solo un caldo caliente de partículas. En las primeras fracciones de segundo, la simetría especular podría haberse roto: el mundo y su reflejo no habrían sido del todo idénticos.

Una cadena cuántica se parece a una guirnalda de luces, donde las bombillas son los espines de las partículas. En el caso ideal, todas las bombillas brillan sincronizadas, siguiendo un ritmo común: eso es la simetría. Pero si cortas un trozo de la guirnalda, el ritmo puede desajustarse: dentro del trozo, la simetría se rompe.

El universo primigenio crecía a una velocidad vertiginosa: en fracciones de segundo se infló hasta alcanzar dimensiones gigantescas. Los físicos describen ese arranque con una sola magnitud: el exponente en una fórmula parecida a la pendiente de una colina. Cuanto más empinada es la colina, más rápido rueda la canica, es decir, más veloz era la expansión del espacio.

El modelo estándar de la física de partículas es un catálogo de todos los ladrillos conocidos del universo: electrones, quarks y otros. Pero no dice nada sobre la materia oscura y no se lleva bien con la gravedad. El nuevo trabajo da un paso audaz: a cada ladrillo del catálogo se le añade su reflejo especular con rotación opuesta.

Los neutrinos recuerdan a bailarines invisibles que cambian de máscara en pleno salto. Los tres tipos de estas partículas —el neutrino electrónico, el muónico y el tau— se transforman constantemente entre sí. Esta danza se describe mediante una compleja matriz de mezcla, y los físicos llevan tiempo intentando descomponerla en movimientos simples.

El mundo cuántico ama el equilibrio. Cuando se obliga a una partícula masiva a bifurcarse —a ir por dos caminos a la vez—, algo debe balancearse en respuesta. Ese "algo" resulta ser el propio aparato que dividió a la partícula.

Un electrón que atraviesa un núcleo pesado se comporta como una pelota de tenis lanzada a través de una empalizada. Si los barrotes de la valla están espaciados de manera desigual —más juntos en unas zonas, más separados en otras—, la pelota se desviará de forma distinta.

La cocina cosmológica está llena de ingredientes invisibles. La materia oscura, como un andamiaje invisible, mantiene a las galaxias unidas, mientras que la energía oscura, como la levadura en la masa, hace que el espacio se expanda cada vez más rápido.

Dos gemelos entran en una habitación por puertas distintas. Cada uno recibe una caja con un botón, y cada vez que pulsan el botón, se enciende una luz roja o verde. Si los gemelos son absolutamente idénticos, cabría esperar que sus luces se enciendan según las mismas reglas internas.

Una orquesta perfectamente afinada, donde cada instrumento está calibrado con una precisión impecable, intenta tocar en una sala ruidosa. Ese ruido es la gravedad cuántica, la ondulación del espacio-tiempo a nivel microscópico. Constantemente amenaza con desentonar a los músicos.

Muchas moléculas, como guantes, vienen en versiones zurdas y diestras. Su diferencia energética, provocada por la interacción débil, es minúscula — como un susurro en una sala ruidosa. Los físicos han ideado cómo convertir ese susurro en un unísono. Una mezcla de moléculas precursoras en un gas ultrafrío genera pares especulares.

Un carrusel con dos tipos de asientos: unos giran en el sentido de las agujas del reloj y otros en sentido contrario. Si se empuja todo a la vez, el carrusel se sacude pero permanece en su sitio.

El universo obedece reglas estrictas, como jugadores en una mesa. Una de ellas: la gravedad siempre atrae y la energía no puede ser negativa.

En los primeros instantes tras el Big Bang, la materia y la antimateria deberían haber nacido en igual cantidad. Pero hoy solo vemos materia: estrellas, planetas, nosotros mismos. ¿Dónde quedó la antimateria? Una de las pistas se esconde en partículas casi imperceptibles: los neutrinos diestros.

Un nanodiamante masivo en un interferómetro cuántico se divide en dos, revistiéndose de dos realidades. Su gravedad — insignificante, casi imperceptible — excita el campo cuántico del vacío, y nacen nubes coherentes de gravitones. Estas son las sombras gravitacionales, proyectadas por cada posición de la masa.

Tira una docena de monedas sobre la mesa. Las combinaciones de caras y cruces son poco más de mil. Con dos docenas de monedas, ya son un millón. El número crece como 2 elevado a la cantidad de monedas, y eso es rápido. Pero los sistemas cuánticos son mucho más ricos. Aquí cada partícula no es una moneda con dos caras, sino una flecha que puede apuntar en cualquier dirección.

El vacío no es un silencio hueco, sino un caldero burbujeante de fluctuaciones cuánticas que nacen de la nada y desaparecen en milmillonésimas de segundo. Esta sinfonía invisible actúa como un viento constante que presiona el átomo contra la pared: como un potente bajo que empuja una pelota ligera.

Una piedra cae en un estanque. Las ondas se expanden, se atenúan, y pronto la superficie vuelve a estar lisa. Pero, ¿y si el estanque no tuviera orillas, ni fondo, ni siquiera un tamaño de onda característico? En ese mundo —un mundo sin escala— viven los sistemas cuánticos cuando están rodeados por un entorno que no distingue ninguna longitud ni energía.

Cuando los químicos calculan el comportamiento de las moléculas en el ordenador, utilizan métodos aproximados porque el cálculo exacto es demasiado complejo. Para los átomos ligeros existen estándares contrastados, pero para los pesados, donde los efectos de la relatividad son importantes, no los había. Es como comprobar una regla con otra regla, en lugar de con el metro patrón.

En el mundo cuántico hay reglas que parecen violadas. Una de ellas es la ley de conservación: si en la física clásica la simetría garantiza la conservación de la carga, al pasar a la descripción cuántica esa garantía puede desaparecer. Este fenómeno se llama anomalía cuántica.

El Universo no nació solo: con él surgió un gemelo especular donde todo está al revés: derecha e izquierda intercambiadas, y el tiempo fluye del futuro al pasado.

Normalmente, la corriente fluye igual en ambas direcciones si no hay un imán. El campo magnético o un material magnético rompen esa simetría: los electrones empiezan a preferir una dirección. Pero en un nuevo trabajo, los físicos han encontrado la manera de prescindir de los imanes.

En un resonador superconductor, la luz no solo se refleja: abraza al qubit con tanta fuerza que su danza conjunta ya no puede describirse con los libros de texto antiguos.

Un cristal de iones de calcio en una trampa, iluminado por un láser, es un modelo diminuto de la materia en el interior de una enana blanca. Allí, en las profundidades de una estrella moribunda, los núcleos atómicos se organizan en una red rígida cuando la temperatura desciende.

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.

Un único antiprotón, atrapado y enfriado casi hasta el cero absoluto, se comporta como un diapasón al que hay que golpear con mucha precisión para escuchar un sonido puro. Captar ese «sonido» directamente es casi imposible: la señal es demasiado débil.

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.

Dos relojes en habitaciones diferentes deben hacer tictac al unísono. Normalmente, para ello se envían pulsos brillantes o pares de fotones que llegan exactamente uno tras otro. Pero la señal puede ser tan débil que los fotones apenas llegan. En este trabajo, los relojes se sincronizaron con luz mil millones de veces más tenue de lo habitual.

La luz de una bombilla normalmente se dispersa en todas direcciones, y atraparla en varios canales en partes exactamente iguales es todo un rompecabezas. En el nuevo trabajo, la luz se divide en nueve haces idénticos sin una sola lente ni espejo. En su lugar, se usa una placa de vidrio con canales grabados que actúan como guías de onda, por los cuales la luz se distribuye de la manera deseada.

Sobre la mesa del laboratorio hay un aparato parecido a una balanza, pero en lugar de platillos tiene dos pesas de metales distintos: berilio y aluminio. La balanza cuelga de un hilo fino que se retuerce si las pesas son atraídas de manera diferente. Todo el aparato gira siguiendo al Sol, como un girasol que sigue al astro, pero en lugar de luz capta su atracción.

Un láser normal amplifica la luz hasta convertirla en un haz brillante. Si se invierte ese proceso, se obtiene un antiláser: un dispositivo que absorbe la luz por completo. Pero esta máquina es caprichosa: basta un ligero desorden para que la absorción falle. Los físicos han encontrado la manera de hacer que un antiláser sea invulnerable.

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).

Cinco átomos de calcio cargados flotan en una trampa, sostenidos por campos eléctricos. El enfriamiento por láser les quita el exceso de energía y se alinean formando una diminuta pirámide de base cuadrada. Pero esta pirámide no permanece estática: de vez en cuando se voltea, como si alguien la lanzara al aire y la atrapara boca abajo.

La energía oscura y la materia oscura son los directores invisibles del cosmos. Normalmente se las considera independientes, pero un nuevo estudio propone verlas como compañeras de baile. La líder — energía oscura — cambia la masa de las partículas de materia oscura.

Resulta que dos lenguajes completamente diferentes describen una misma realidad cuántica. En uno, una partícula pasea por la ciudad simultáneamente por todas las calles. Es el paseo cuántico, y está relacionado con la espectroscopía de esta red de caminos. En el otro, péndulos acoplados intercambiándose empujones.

En el mundo que conocemos hay tres dimensiones espaciales. Sin embargo, la física teórica admite la existencia de direcciones adicionales, ocultas a la observación directa, compactificadas, es decir, enrolladas hasta tamaños microscópicos.

Un copo de nieve, al caer de la nube, elige entre su forma izquierda y su forma derecha. La diferencia entre ambas es casi imperceptible, como un soplo de viento, pero es precisamente ese soplo el que decide qué patrón crecerá.