deuterón

Una esfera de aluminio del tamaño de un globo terráqueo grande se sitúa en un haz de neutrones y responde a cada impacto con una nota precisa. Dentro de la esfera no hay nada más que nitrógeno y once pequeñas esferas de acero, cada una del tamaño de la cabeza de un alfiler.

Un neutrón confinado en el núcleo se comporta de manera distinta a cuando está libre. Su nube de gluones, que mantiene unidos a los quarks, se comprime como un muelle bajo carga. Antes esto solo podía suponerse, pero ahora los físicos han observado el efecto directamente por primera vez.

Una estrella de neutrones es lo que queda después de la explosión de una estrella masiva. Su materia está tan comprimida que una cucharadita pesaría miles de millones de toneladas. En tales condiciones, los protones y neutrones pueden reorganizarse y aparecen nuevas partículas: los hiperones, similares a los neutrones pero que contienen un quark 'extraño'.

El intérprete se distrae con cada susurro en la sala, y una reunión de una hora se convierte en dos. Una estrella de neutrones comprime la masa del Sol en una esfera del tamaño de una ciudad, y la materia de su núcleo es más densa que el núcleo atómico. Los físicos no pueden comprobar en el laboratorio cómo está hecha: no se puede generar la presión necesaria.

Dentro del núcleo atómico, los protones y neutrones no están quietos, como guisantes en un frasco. Cada partícula ocupa su propia órbita: una región del espacio donde se la puede encontrar. Cuanto mayor es la órbita, más "difusa" está la partícula.

El núcleo atómico no es un saco de canicas, sino una estructura ordenada donde los protones y neutrones llenan capas, como los electrones en el átomo. Cuando una capa se llena, el núcleo se vuelve especialmente estable, y al número de partículas se le llama mágico. Para el calcio, con 20 protones, los números mágicos clásicos de neutrones son 20 y 28.

El núcleo atómico no siempre es redondo, como una bola de billar. Algunos núcleos se alargan con forma de balón de rugby, mientras que otros se vuelven parecidos a una pera, con un extremo más grueso que el otro.

El núcleo de un átomo suele imaginarse como una esfera densa donde protones y neutrones están mezclados. Pero en algunos isótopos, los neutrones pueden sobresalir mucho más allá de esa esfera, formando una capa difusa: un halo de neutrones. Esto ocurre sobre todo en núcleos con muchos más neutrones que protones.

Una enana blanca es el antiguo núcleo de una estrella como el Sol, comprimido hasta el tamaño de la Tierra. Una cucharadita de su materia pesaría varias toneladas. Una estrella de neutrones es un resto aún más denso: una ciudad del tamaño de Manhattan, pero con una masa mayor que la del Sol.

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 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.

La carrera por la energía de fusión se parece a intentar atrapar un rayo en una botella. Durante décadas, los físicos han luchado por recrear en la Tierra los procesos que alimentan al Sol.

Los neutrinos solares son partículas diminutas que nacen en el interior del Sol a razón de billones cada segundo. Atraviesan la Tierra casi sin notarla y durante mucho tiempo se los consideró absolutamente estables. Pero quizás también ellos puedan "envejecer": desintegrarse imperceptiblemente y desaparecer en su camino hacia nosotros.

A los tres minutos del Big Bang, el universo tocaba su primera sinfonía. Era la Big Bang nucleosíntesis — la formación de núcleos ligeros, donde cada elemento sonaba con su nota, y el ritmo lo marcaba la expansión del espacio.

Un puñado de arena en el puño: los granos se empujan entre sí y la mano no puede cerrarse más. La materia ordinaria se comporta de manera similar. Pero en una estrella de neutrones, la compresión es miles de millones de veces más fuerte: los átomos están aplastados, los electrones incrustados en los protones, y casi todo el espacio está lleno de neutrones.

Una bola de billar choca contra otra en la más absoluta oscuridad. El sonido del impacto y el golpe de las bolas al caer en la tronera es todo lo que se oye. Así, más o menos, estudian los físicos las interacciones entre partículas elementales a energías que ningún acelerador terrestre puede reproducir.

Una cucharadita colmada, y la báscula marca mil millones de toneladas. Eso pesaría aproximadamente la materia de una estrella de neutrones si pudiéramos sacarla y pesarla. Estos objetos nacen tras la explosión de una supernova: el núcleo de la estrella se comprime hasta formar una esfera del tamaño de una ciudad, y la densidad supera a la del núcleo atómico.

El neutrón es una de las partículas más neutras de la naturaleza. Pero si se añade un parámetro especial a las leyes de la física (llamado término theta del modelo estándar), dentro del neutrón aparece una diminuta asimetría de carga. Un extremo se vuelve ligeramente positivo, el otro ligeramente negativo.

En el centro de cada átomo hay un núcleo: una densa esfera de protones y neutrones. Estas partículas no se amontonan al azar, sino que llenan niveles de energía estrictos, como pisos en un rascacielos. Cuando un piso está completamente ocupado, el núcleo se vuelve especialmente estable: los físicos lo llaman número mágico. El más pesado de estos números en núcleos estables es 126 neutrones.

En las profundidades de una estrella de neutrones, la materia está tan comprimida que los protones y neutrones habituales dejan paso a nuevos actores. Allí nacen los hiperones, partículas que contienen un quark extraño.

Las estrellas de neutrones — restos de supernovas — son unos de los objetos más densos del Universo. Su densidad central supera varias veces la nuclear, y su gravedad solo cede ante los agujeros negros.

En física nuclear reinó durante mucho tiempo la convicción de que dos neutrones no pueden formar un estado ligado: se atraen demasiado débilmente y se dispersan de inmediato. Sin embargo, en la superficie de los núcleos ricos en neutrones, donde la densidad de la materia cae a milésimas de la nuclear normal, la situación cambia radicalmente.

Una estrella de neutrones es el núcleo que queda tras la explosión de una estrella masiva. Su materia está tan comprimida que una cucharadita pesaría miles de millones de toneladas. Pero las dimensiones y la masa exactas de estos objetos siguen siendo motivo de debate.

En las profundidades del océano, donde no llega la luz, nace un plan para capturar partículas que casi no interactúan con nada. Los geoneutrinos, pequeños mensajeros del manto ardiente, surgen de la desintegración del uranio y del torio. Su flujo transporta información sobre cuánto calor se esconde bajo nuestros pies.

En los aceleradores, al hacer colisionar núcleos pesados, los físicos crean brevemente un plasma de quarks y gluones: un estado de la materia en el que los quarks y los gluones no están confinados dentro de partículas, sino que son libres. Durante mucho tiempo se pensó que era un gas, pero los experimentos mostraron que es un líquido casi perfecto.

El péndulo más preciso del mundo no es una barra de acero, sino un diminuto núcleo atómico. El isótopo torio-229 tiene un estado excitado especial: para llevar el núcleo a él se necesita muy poca energía, similar a la de un láser ultravioleta.

Una estrella de neutrones es una lente gravitacional donde se enfocan nuestros intentos de vislumbrar la materia oscura. A través de su materia superdensa, como a través de un exótico cristal, buscamos el axión, una partícula esquiva capaz de explicar la masa oculta del Universo.

Las estrellas de neutrones son «copos de nieve» cósmicos de una densidad inimaginable: una cucharada de su materia pesaría más que el monte Everest. Era un misterio qué había en sus profundidades: materia neutrónica ordinaria (un núcleo atómico gigante) o materia exótica de quarks, donde las partículas no están confinadas en neutrones.

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.

Dentro de una estrella de neutrones, la materia se comprime tanto que los núcleos atómicos dejan de ser grumos separados. Los neutrones y los protones se acercan entre sí, y sus interiores —los quarks— comienzan a sentir a los vecinos a través de las paredes de sus "sacos".

Núcleos atómicos envueltos en esponjosos abrigos de electrones: con semejante ropa, no hay abrazo que valga. Pero cambia el abrigo ligero por uno pesado: el muón, una partícula del modelo estándar, comprime la nube casi 200 veces.

En 2017, los detectores captaron un temblor del espacio: ondas gravitacionales de la fusión de dos estrellas de neutrones. Los telescopios encontraron de inmediato un destello de luz: una explosión cósmica que los astrónomos llamaron kilonova. En ese caldero de fuego, según se descubrió, nacen los elementos más pesados de la tabla periódica: oro, platino, uranio.

Una valla invisible bloquea el estrecho. No se puede saltar por encima ni bucear por debajo: no está hecha de acero, sino de un flujo de partículas que atraviesan la columna de agua. Así podría describirse la idea de detectar submarinos nucleares por su emisión de antineutrinos.

A primera vista, el núcleo atómico es como un piso compartido y apretado donde protones y neutrones (juntos, nucleones) viven según reglas estrictas. Cada uno ocupa su órbita, como los electrones en el átomo, y en promedio todo parece ordenado.

Si intentas partir un protón y sacar un quark, te llevas una sorpresa. Las fuerzas ordinarias, como la eléctrica, se debilitan cuando las partículas se separan. Aquí es al revés: cuanto más lejos está el quark de sus vecinos, más fuerte es el tirón que lo devuelve.

La corteza exterior de una estrella de neutrones se parece a un pastel de capas, donde cada capa es un tipo de relleno estrictamente definido. Es una red cristalina de núcleos atómicos sumergida en un mar de electrones. Cuanto más profundo, mayor es la presión, y más pesados son los núcleos que pueden existir allí sin desmoronarse.

Dos núcleos de estaño chocan a una velocidad de aproximadamente dos tercios de la velocidad de la luz. Por un instante se forma una nube densa y caliente de la que salen protones en todas direcciones. Si se capturan pares de protones y se mide con qué frecuencia salen en la misma dirección, se puede calcular el tamaño de esa nube.

Una gota de agua en un campo eléctrico intenso se alarga. El núcleo del deuterio, un par ligado de protón y neutrón, se comporta de manera similar, solo que aquí el campo lo crea un fotón gamma que pasa, y en lugar de estirarse, el núcleo puede simplemente romperse.

Imagina un edificio de varias plantas donde en cada piso viven protones y neutrones. Los pisos son los niveles de energía, y normalmente entre el sexto piso y el siguiente hay un tramo de escaleras de cierta altura: la llamada brecha. En el núcleo del átomo de oxígeno-20, esta brecha actúa como una barrera difícil de superar para las partículas.

Dos sandías del mismo peso yacen en el mostrador. Una está madura, jugosa y con una corteza gruesa. La segunda parece tallada en roble: por dentro es completamente distinta y es casi imposible de comprimir. A simple vista son gemelas, pero basta con darles un golpecito para que la diferencia sea evidente.