gluón

Imagina dos peonzas lanzadas sobre una mesa. Si giran en el mismo sentido, su rotación conjunta es grande; si giran en direcciones opuestas, la rotación total puede ser nula, aunque cada peonza por separado gire rápido. En una pareja de estrellas de neutrones que se aproximan antes de fusionarse, el papel de esas peonzas lo desempeñan sus rotaciones propias, los espines.

Una estrella de neutrones es el remanente de una estrella que explotó, comprimido tan fuertemente que una cucharadita de su materia pesaría como una montaña. Dentro de ese objeto, los protones y neutrones están empaquetados muy juntos, y bajo una presión enorme pueden aparecer hiperones —partículas que contienen un quark extraño.

Cuando un protón se rompe en un acelerador, salen quarks y gluones. Pero no se pueden ver libres: casi de inmediato se pegan entre sí formando nuevas partículas, como gotas de mercurio que se juntan en esferas. Este proceso se llama hadronización y dificulta medir con precisión la fuerza que une a los quarks: la interacción fuerte.

El hielo común se convierte en agua a cero grados. Y la materia a densidad nuclear —el plasma de quarks y gluones— experimenta algo parecido a unos 155 MeV (aproximadamente dos billones de grados). Solo que aquí no se funde una red cristalina, sino el llamado condensado de quarks: un mar de vacío que da masa a las partículas.

El protón no es una bolita sólida, sino una diminuta prisión. Dentro están encerrados tres quarks, y el campo de gluones les impide escapar: algo así como hilos invisibles que se vuelven más fuertes cuando los quarks intentan separarse.

El protón no es una esfera monolítica. Es una nube burbujeante de quarks y gluones que constantemente nacen y desaparecen. Para describir ese panorama ayudan las funciones de distribución de partones, que muestran con qué probabilidad se encuentra un quark o un gluón con cierta energía dentro del protón.

Un cilindro de aluminio masivo, de una tonelada, cuelga en el vacío. Una onda gravitacional —una ondulación del espacio-tiempo— lo atraviesa, y la barra comienza a vibrar de manera casi imperceptible.

Una cacerola con pegamento muy espeso y caliente: así se veía aproximadamente el universo temprano. No era un pegamento cualquiera, sino una 'sopa de gluones': partículas que transmiten la interacción fuerte (gluones) que se movían libremente por el 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.

En aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones se hacen chocar núcleos pesados a velocidades enormes. Por un instante nace el plasma de quarks y gluones (PQG), un estado de la materia en el que los quarks y los gluones flotan libremente, como en los primeros microsegundos tras el nacimiento del universo.

En el microcosmos de la interacción fuerte —el pegamento más poderoso de la naturaleza— los quarks nunca pasean solos. A grandes distancias se agrupan en los familiares protones y neutrones.

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 espacio-tiempo puede imaginarse como una tela bien tensada. Un cuerpo masivo la hunde, dirigiendo la luz. El giro, en cambio, retuerce la tela en espiral. Ese remolino gravitacional es capaz de entrelazar un fotón pasajero con la propia fuente del giro — por ejemplo, un diminuto espejo.

En las profundidades de una estrella de neutrones masiva , donde una cucharadita de materia pesa como una montaña, los quarks están comprimidos hasta una cercanía inimaginable.

Hielo, agua, vapor: transiciones de fase que todos conocemos. Pero, ¿qué ocurre si comprimimos y calentamos el propio núcleo atómico? Los teóricos creen que los protones y neutrones que lo forman se "funden", liberando piezas más pequeñas: los quarks y gluones del modelo estándar.

Dentro del protón hierve la vida. Los quarks no están simplemente sentados: los mantienen unidos unas partículas portadoras, los gluones (de la palabra glue, pegamento). Normalmente, este pegamento está distribuido uniformemente, como mantequilla sobre una sartén. Pero cuando las energías se vuelven enormes, los gluones empiezan a agruparse en grumos.

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.

Si comprimes un puñado de arena hasta el tamaño de la cabeza de un alfiler, se convertirá en piedra. Pero si lo comprimes aún más, hasta la densidad del núcleo atómico, los granos de arena perderán su forma. Los protones y los neutrones se disuelven, y la materia se vuelve como una sopa de quarks libres.

Una gota de nata grasa en un vaso de leche. Si lo agitas, la grasa no se dispersa uniformemente: se acumula en grumos más densos que se mueven de manera distinta al resto del líquido. Algo parecido ocurre con los quarks dentro de los mesones, unas partículas diminutas que viven fracciones de segundo insignificantes.

El Universo está lleno de materia invisible que gobierna el movimiento de las galaxias. En los años 1970, la astrónoma Vera Rubin demostró que sin la materia oscura, las estrellas de las afueras se habrían dispersado hace tiempo. Pero de qué está hecha sigue siendo un misterio.

Un gravitón individual — un cuanto del espacio-tiempo — es increíblemente débil. Para detectores como LIGO, construidos por Rainer Weiss y colegas, los efectos cuánticos están suprimidos en un factor de 10⁻³⁸: es como intentar oír cómo un grano de arena caído en un huracán cambia la…

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.

El intérprete se distrae con cada susurro en la sala, y la reunión de una hora se convierte en dos. Algo parecido les ocurre a los gluones, las partículas portadoras de la interacción fuerte dentro de los protones. Normalmente van de un lado a otro manteniendo unidos a los quarks.

El protón parece una bolita compacta, pero en su interior hierve la actividad: los quarks intercambian gluones, las partículas que los mantienen unidos. Los gluones aparecen y desaparecen, y su distribución dentro del protón no es un mero detalle curioso, sino la clave para hacer predicciones en el Gran Colisionador de Hadrones.

En las colisiones de núcleos pesados en los colisionadores se genera plasma de quarks y gluones, un estado de la materia en el que los quarks y los gluones están libres, como el agua en el vapor. Los quarks pesados, como los quarks b, al entrar en este plasma pierden energía y sus estados ligados, los bottomonios, se destruyen.

Si el núcleo de un átomo es una familia, en la casa del helio común viven dos protones y dos neutrones, bien agarrados de la mano. Ahora imagina que uno de los miembros de la familia es un excéntrico al que le encanta pasear lejos de casa.

En una habitación oscura parpadea una lámpara invisible. Su luz no se parece a la habitual: no tiene un brillo constante, solo ráfagas raras pero potentes. Esto es un vacío comprimido brillante: un estado de la luz en el que no hay una onda ordinaria, pero sí fuertes fluctuaciones cuánticas. Con esa luz, los físicos bombardearon átomos de xenón.

Chocar dos núcleos de plomo en el Gran Colisionador de Hadrones es como lanzarse mutuamente dos bolsas pesadas llenas de canicas. Normalmente las canicas salen disparadas en todas direcciones, pero a veces una bolsa pasa tan cerca que las canicas no chocan, solo se cruzan miradas.

El agua hierve a cien grados en una tetera, pero si se comprime fuertemente, se comporta de otra manera. De forma similar, los quarks y los gluones —los ladrillos que forman protones y neutrones— cambian sus propiedades en un campo magnético intenso.

Dentro de cada protón y neutrón bulle un trabajo invisible: los gluones, partículas portadoras de la interacción fuerte, pegan los quarks en un todo unificado. Este campo se puede comparar con bandas de goma que impiden que los quarks se separen.

El protón no es una bolita sólida, sino una nube burbujeante de quarks y gluones. Cada partícula lleva su pedacito de giro, pero si sumas todos los pedacitos, no obtienes todo el espín del protón. Parte del giro parece esconderse en los habitantes más lentos de la nube: aquellos que llevan solo una diminuta fracción del movimiento total.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor es como un mantel perfectamente liso sobre el que ruedan bolitas electrónicas. Coloca una barrera eléctrica en el camino de esas bolitas y, normalmente, rebotarán hacia atrás.

En 2010, los físicos del Gran Colisionador de Hadrones obtuvieron por primera vez plasma de quarks y gluones —un estado de la materia en el que los quarks y gluones están libres, como el agua en vapor, y no encerrados dentro de protones y neutrones.

Desde hace tiempo se sospechaba que el efecto Hall cuántico era superfluyente, capaz de fluir sin fricción. Imagina a un cocinero que sigue una receta: por cada unidad de flujo magnético debe colocar exactamente un número determinado de electrones.

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 la década de 2010, los físicos que trabajan en el Gran Colisionador de Hadrones aprendieron a crear en el laboratorio una sustancia que no existe en el mundo ordinario.

El protón no es una bolita sólida, sino más bien un entramado apretado de quarks y gluones. Los gluones son las partículas que transmiten la interacción fuerte, una especie de pegamento que mantiene unidos a los quarks. Pero este pegamento no solo une: también presiona.

El protón no es una bolita sólida. En su interior hierve una mezcla de quarks y gluones. Los gluones son las partículas que pegan los quarks, como el pegamento une las maderas. La pregunta es: ¿cuánto "peso" del protón corresponde a este pegamento? Los físicos lo han calculado en una computadora, dividiendo el espacio y el tiempo en una cuadrícula fina.

En el centro de la colisión de dos núcleos de plomo nace por un instante una diminuta bola de fuego: materia tan caliente que los protones y neutrones se funden, y los quarks y gluones nadan libremente en esa 'sopa'. Esa sopa se llama plasma de quarks y gluones. Existió en los primeros microsegundos después del Big Bang, y ahora se recrea en los aceleradores.

Un haz de electrones, retorcido como un sacacorchos, choca contra un protón. Del punto de impacto salen disparados pares de partículas: un pión positivo y uno neutro. Los físicos midieron por primera vez con qué frecuencia estos pares se separan en diferentes ángulos cuando el espín del electrón apunta hacia la izquierda o hacia la derecha.