colisionador de electrones e iones

En el pozo que conduce al Gran Colisionador de Hadrones quieren instalar un inquilino inusual: un tubo vertical de cien metros, dentro del cual caerán nubes de átomos de estroncio. Cada nube se enfría hasta casi el cero absoluto, para que los átomos se muevan lenta y coordinadamente, como bailarines en cámara lenta.

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 el silencio absoluto hay que oír caer una pluma. Pero alguien no deja de hacer ruido con una bolsa. Para el observatorio espacial LISA, ese "ruido" serán las partículas cargadas procedentes del espacio.

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.

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.

En un caluroso mediodía, un bochorno sofocante se cierne sobre la ciudad y en el horizonte no hay ni una nube. Normalmente, con este tiempo solo queda esperar a que la naturaleza se apiade y envíe un poco de frescor. ¿Y si pudiéramos encender la sombra y la lluvia según un horario, como la luz de una habitación?

El modelo estándar es el conjunto de reglas para todas las partículas conocidas. Pero guarda silencio sobre la materia oscura, que constituye una cuarta parte del universo. Para encontrarla, no hace falta construir colisionadores del tamaño de una ciudad.

Una olla de sopa hirviendo burbujea, y uno quiere saber qué tan calientes están las gotas individuales en su interior. Pero el termómetro solo se puede sumergir en el borde, donde ya no hay tanta efervescencia.

Un detector lleno de helio-4 superfluido se asemeja a un lago perfectamente tranquilo. El líquido no chapotea ni burbujea: permanece inmóvil en un único estado cuántico. A través de él atraviesa un visitante invisible: una partícula de materia oscura. Ella misma no brilla ni deja rastro.

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.

Una red neuronal entrenada con colisiones de protones y electrones transfirió sus habilidades a un experimento completamente diferente: la captura de neutrinos. Como un cocinero que aprendió a preparar cocina francesa y luego, sin preparación, hornea un excelente plov uzbeko.

En un enorme acelerador, las partículas chocan entre sí y, a veces, tras el impacto solo quedan dos fotones, las partículas de la luz. Los físicos saben predecir con qué frecuencia ocurre esto, pero sus cálculos no coincidían con lo que veían los detectores. Cada refinamiento de la teoría cambiaba la respuesta, y no había acuerdo.

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.

El azul es el color más caprichoso de cualquier pantalla. Para obtenerlo, hay que gastar mucha energía y, a menudo, la luz resulta apagada. Los químicos llevan tiempo buscando moléculas que brillen en azul profundo de forma intensa y duradera. Ahora han ideado un nuevo diseño basado en europio, un metal de tierras raras capaz de emitir una luz azul pura.

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.

La superficie de Europa es una armadura de hielo que es continuamente bombardeada por partículas cargadas de la magnetosfera de Júpiter. Los electrones chocan contra la red cristalina del hielo, pierden energía y desencadenan reacciones químicas. Antes no existía una herramienta que mostrara cuán profundamente perfora este bombardeo el hielo.

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.

Una computadora cuántica es como una orquesta, donde cada cúbit es un músico que toca su parte. Pero de vez en cuando irrumpe un rayo cósmico en la sala, y el violinista se sobresalta y pierde el ritmo. Estas partículas del espacio profundo atraviesan el chip, expulsan electrones extra y estropean la frágil música cuántica.

En un cristal de óxido de zinc se esconde un dúo cuántico: un átomo de estaño y un átomo de litio, sentados uno al lado del otro. Su unión es tan estrecha que el electrón capturado por este par parece vivir en el estaño, mientras que el litio solo acompaña.

En un cristal ultrapuro de germanio, enfriado casi hasta el cero absoluto, un solo electrón puede desencadenar toda una avalancha de cargas. Como una pequeña piedra que se desprende de la ladera y arrastra consigo un torrente de nieve.

El detector de materia oscura es como una habitación donde intentan escuchar un susurro, mientras cerca crepita la electricidad estática. Este crepitar lo producen los átomos de radón, un gas radiactivo que se filtra de los materiales y del aire.

Las baterías actuales con electrolito líquido pueden tener fugas o incendiarse. Los electrolitos poliméricos, sólidos como el plástico, resuelven ese problema, pero los iones se mueven más lento y la batería pierde potencia.

Los relojes atómicos comunes hacen tic-tac cuando un electrón salta entre niveles de energía. Pero los campos externos y los golpes pueden alterar ese ritmo. Los iones altamente cargados —átomos a los que se les han arrancado muchos electrones— apenas notan esas perturbaciones: sus electrones están profundos y firmemente sujetos. Por eso son 'péndulos' ultraestables.

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 protón no es una esfera lisa, sino una maraña de partículas más pequeñas que están en constante movimiento. Para mirar en su interior, los físicos disparan electrones contra el protón y observan cómo rebotan. El nuevo aparato, el Colisionador de Electrones e Iones, hará esto con una precisión sin precedentes.

En los aceleradores gigantes, las partículas viajan casi a la velocidad de la luz y chocan de frente. Pero a veces un haz resulta un poco más denso que el otro, como si en una escalera mecánica abarrotada alguien se pusiera en el sentido contrario. Entonces las colisiones ocurren de manera desigual y los instrumentos empiezan a "parpadear", alterando las mediciones.

En el detector de un colisionador, cada colisión de protones deja un rastro de decenas de partículas, como las salpicaduras de una piedra lanzada al agua. Entender esas salpicaduras y descifrar qué ocurrió exactamente en el momento del impacto es una tarea que ya nadie puede afrontar solo.

Un catalizador es una sustancia que acelera una reacción química sin consumirse en el proceso. El mejor catalizador es aquel en el que cada átomo de metal cuenta: cuanto más pequeñas son las partículas, más átomos hay en la superficie y más activo es el material.

En el detector del Gran Colisionador de Hadrones, después de cada colisión de protones quedan miles de puntos: las trazas de las partículas que se dispersan. Una red neuronal aprendió a ver patrones en este dibujo y a predecir qué ocurrió en el momento del impacto.

En Jefferson Lab, los electrones se aceleran hasta 12 GeV y chocan contra protones para arrancarles sus secretos. Pero los detectores actuales se parecen a cámaras con un campo de visión estrecho: o ves mucho pero borroso, o ves nítido pero solo un pedacito.