gigaelectronvoltio

Una línea de montaje en una fábrica escupe piezas de una en una por ciclo. Si el ciclo es corto y hay pocos defectos, la línea va rápida. En óptica cuántica, el papel de esa línea lo desempeña una fuente de fotones individuales: debe emitir exactamente un cuanto de luz por cada ciclo, y cuanto más frecuentes sean los ciclos, más fotones viajan por la fibra óptica.

En el interior del Sol tienen lugar reacciones que podrían generar partículas ligeras y casi indetectables: los axiones. Una de estas reacciones produce axiones con una energía de 5,49 MeV, como si cada uno llevara la energía del impacto de una pelota de tenis que viaja a 100 km/h.

Los rayos cósmicos son partículas que recorren nuestra Galaxia a velocidades enormes. Su energía puede ser millones de veces mayor que la de las partículas en el acelerador terrestre más potente. Pero cuanto mayor es la energía, menos partículas hay: en la gráfica de su número hay un quiebre notable que se llama rodilla.

Un haz de protones dirigido a un tumor atraviesa los tejidos blandos como un cuchillo caliente en la mantequilla, pero su alcance depende de las propiedades más sutiles del agua, de la que estamos hechos en su mayor parte. El agua es el componente principal del cuerpo, y de lo rápido que los protones se frenan en ella depende dónde exactamente depositan su energía.

El universo a veces recuerda a una tela vieja: tras un rápido enfriamiento pudieron quedar pliegues: hilos finos, casi invisibles, de densidad monstruosa. Se les llama cuerdas cósmicas. Normalmente, en el centro de una de estas cuerdas se esconde una singularidad: un punto donde las leyes de la física pierden su sentido.

El misterio de la principal ruptura en el espectro de los rayos cósmicos galácticos — la rodilla a 3 PeV — persistió durante casi un siglo.

En una orquesta, cada músico toca su parte, pero en cierto momento todos los instrumentos se detienen en una misma nota. Algo así ocurre con los rayos cósmicos: partículas que llegan a nosotros desde estrellas lejanas.

Un reflector brilla cada vez más, pero en cierto límite la bombilla se funde de repente y la luz ya no sale. Algo parecido han visto los astrofísicos en el lejano blázar Markarian 421. Se trata de una galaxia activa cuyo chorro de plasma ardiente (jet) apunta casi exactamente hacia la Tierra, como el haz de un faro cósmico.

El hidrógeno es el elemento más abundante. Sus átomos son como antenas: emiten y absorben luz en frecuencias muy específicas. Einstein predijo que el espacio-tiempo puede ondularse: son las ondas gravitacionales.

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.

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.

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.

El estallido de rayos gamma GRB 221009A brilló con tal intensidad que fue apodado "el más brillante de todos los tiempos". El observatorio LHAASO detectó fotones gamma de este evento con energías de hasta 13 TeV, miles de veces mayores que las energías de las partículas en un equipo de rayos X.

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.

En el sótano de un laboratorio en Jyväskylä hay una trampa que mantiene un único átomo suspendido, como un mago sostiene una bola en la punta del dedo. El átomo de estaño-113 es inestable: tarde o temprano captura uno de sus electrones y se convierte en indio-113, emitiendo una partícula esquiva: el neutrino. Cuánta energía se libera en este proceso, antes solo se sabía de manera aproximada.

La luz en la fibra óptica es un flujo de fotones, y para la comunicación cuántica se necesitan fotones individuales que puedan enviarse uno a uno. Pero lograr que salgan rápidamente y además sean indistinguibles entre sí es una tarea difícil.

Los rayos gamma con energías superiores a cien billones de electronvoltios son como piedras lanzadas con una fuerza increíble. Durante mucho tiempo se creyó que solo los protones —partículas pesadas aceleradas en aceleradores cósmicos— podían lanzar esas "piedras". Pero un nuevo trabajo muestra que a veces bastan los ligeros electrones.

Una colisión a gran velocidad arrancó un neutrón del núcleo de helio-8, y por un instante se formó un núcleo de helio-7, como una estantería sobrecargada de la que caen tres libros a la vez. Este efímero «sonido» de la desintegración se ha podido registrar por primera vez: tres neutrones salieron disparados, dejando tras de sí un núcleo ordinario de helio-4.

Un estallido de rayos gamma es como un disparo de un cañón cósmico: un destello breve pero cegador que durante unos segundos eclipsa a una galaxia entera. Pero si lo observamos en el rango gamma más duro (fotones con energía superior a un gigaelectronvoltio), la señal a menudo se pierde en el ruido, como un susurro en una sala ruidosa.

Veintiocho segundos: eso fue lo que tardó una cámara automática en apuntar hacia un destello en una constelación cuya luz había viajado más de nueve mil millones de años.

El protón no puede verse como una simple bolita. Si lo golpeas con un fotón, puede absorber energía y pasar a un estado excitado, como una campana que empieza a vibrar a una frecuencia determinada tras el golpe. Estos estados se denominan resonancias de nucleones y viven muy poco tiempo antes de desintegrarse en otras partículas.

El electrón dentro de una molécula se comporta como un imán diminuto, y su 'fuerza' se puede medir con una precisión enorme.

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 neutrón es una partícula sin carga, pero con estructura interna. Como una pelota que por fuera parece lisa, pero por dentro tiene un relleno complejo. Los científicos llevan tiempo queriendo entender cómo se distribuyen las fuerzas eléctricas y magnéticas dentro del neutrón. Para ello hay que 'palparlo': hacerlo chocar con su antipartícula y ver qué ocurre.

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.

La luz incide sobre una placa de silicio y en ella nace un único electrón. Un instrumento común no lo notaría: la señal es demasiado débil. El nuevo detector no solo lo oye, sino que determina su energía con una precisión de 589 milielectronvoltios. Es como distinguir los pasos de una hormiga a la distancia de un brazo extendido.

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.

De noche, sobre la taiga siberiana, a veces destella una débil luz azulada. No es una aurora boreal, sino una lluvia cósmica: una partícula llegada del espacio profundo choca contra la atmósfera y se desintegra en millones de partículas secundarias. Estas se precipitan hacia la Tierra en un frente amplio, como una ola que se expande al lanzar una piedra al agua, y hacen que el aire brille.

En el puerto tranquilo de la Burbuja Local —una cavidad de gas caliente y enrarecido alrededor del Sol— ha retumbado recientemente una explosión. Una supernova estalló a decenas de pársecs de nosotros, y su eco aún resuena en los alrededores, alterando el panorama de los rayos cósmicos.

Muy por encima de la Antártida, un globo aerostático elevó un instrumento que capturaba electrones del espacio. Estas partículas llegan desde lejanas explosiones estelares y otros eventos de gran energía. El instrumento medía su energía, como si fuera la fuerza del impacto. Y en un cierto rango de energías, los impactos resultaron ser más numerosos de lo que predecían los cálculos.

En el flujo de rayos cósmicos, partículas que llegan desde las profundidades de la Galaxia, el titanio es escaso. Sus núcleos son casi indistinguibles del hierro: ambos son pesados y dejan huellas similares en los detectores.