hadrón

Los neutrinos son partículas casi esquivas que atraviesan la Tierra sin que esta se entere. Pero a veces uno de ellos choca contra el núcleo atómico del agua, y entonces nace toda una ráfaga de partículas: muones, protones, piones.

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.

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.

Los quarks, los bloques de construcción de protones y neutrones, normalmente se agrupan en pares o tríos. Pero a veces forman combinaciones más grandes e inestables que viven fracciones diminutas de segundo.

En el acelerador del Laboratorio Jefferson, un haz de luz golpea protones y de las colisiones nacen partículas de vida corta: los mesones omega. Viven menos de una milmillonésima de segundo, pero alcanzan a contar cómo están hechas las fuerzas dentro del núcleo atómico.

En una fila apretada de átomos, separados por distancias menores que la longitud de onda de la luz, se esconde un estado asombroso. La excitación se reparte entre todas las partículas de tal manera que su radiación se anula a sí misma.

En el núcleo atómico, los protones y los neutrones están tan densamente empaquetados que entre ellos actúan fuerzas que recuerdan a resortes tensados. Unos resortes se comprimen y se estiran por igual en todas las direcciones: son las fuerzas centrales habituales.

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 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.

El agua en un vaso parece continua, pero está formada por moléculas. De manera similar, durante mucho tiempo los físicos describieron la materia dentro de una estrella de neutrones como una sopa homogénea de protones y neutrones. Pero las estrellas de neutrones reales no son sopa. Son una multitud apretada de partículas donde cada neutrón siente a sus vecinos.

En junio de 2024, el radiotelescopio CHIME registró desde la fuente FRB 20240114A más de 700 estallidos de radio por hora. Este repetidor hiperactivo libera en una hora casi toda la energía magnética de un magnetar común (estrella de neutrones con campo ultraintenso).

Una estrella de neutrones es una ciudad comprimida hasta el tamaño de una metrópolis, donde la materia está densificada al límite. En el mismo centro de esa ciudad puede comenzar una remodelación: los neutrones y protones habituales ceden su lugar a un plasma de quarks, los quarks libres que componen casi todo lo que nos rodea.

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.

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".

En un lado de la balanza está toda la materia del universo; en el otro, toda la antimateria. Según las leyes de la física, en el momento del nacimiento del mundo los platillos deberían haberse equilibrado. Pero vemos que un lado pesa más: a nuestro alrededor hay estrellas, planetas, personas, y casi nada de antimateria. Este desequilibrio es uno de los grandes misterios.

Un gas incandescente se deposita sobre un sustrato y, capa a capa, va formando una película transparente. Pero en lugar de un espejo perfecto, la superficie a veces se cubre de diminutos bultos, como carámbanos en un cristal en plena helada. Normalmente se intentan eliminar porque estorban a la hora de fabricar piezas lisas.

Diminutas balas invisibles atraviesan el Sol de lado a lado, casi sin notar su materia. Son los axiones: partículas hipotéticas tan ligeras y escurridizas que se comparan con fantasmas.

En el mundo de las partículas elementales existe un antiguo enigma: ¿por qué las masas del electrón, el muón y la partícula tau difieren tanto? ¿Y por qué los quarks — los ladrillos de protones y neutrones — también se dividen en tres generaciones con un salto brusco de masas?

Dos estrellas de neutrones —restos de astros muertos, comprimidos hasta el tamaño de una ciudad pero con el peso de todo un Sol— giran una alrededor de la otra y finalmente colisionan. En ese instante nace algo intermedio entre un agujero negro y un imán ultrapotente: un campo miles de millones de veces más fuerte que el del más potente escáner de resonancia magnética.

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.

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.

Una piscina de agua purísima en la que, de vez en cuando, caen diminutas gotas casi invisibles. Cada una deja una ondulación apenas perceptible, y para registrarla se necesitan años de paciencia. Así es la caza de neutrinos solares en el detector DEAP-3600: un enorme tanque de argón líquido escondido en las profundidades de la Tierra.

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.

Una pizca de sal cae al agua y los iones de sodio y cloro se separan, rodeados de moléculas de agua. Ahora, en lugar de un ion, en la compañía molecular entra un positrón: la antipartícula, gemela del electrón, pero con un más en lugar de un menos.

Un malabarista lanza mazas sentado en una silla giratoria. Si comienza a hacer girar las mazas todas en la misma dirección, la silla girará en sentido contrario; de lo contrario, se violaría la ley de conservación del momento angular.

El núcleo atómico no es una bola de billar, sino más bien una nube brumosa que cambia constantemente de contorno. Los protones y neutrones en su interior están en continuo movimiento, y el núcleo puede adoptar las formas más diversas: alargado, achatado o con forma de pera.

El núcleo atómico no es una esfera monolítica, sino un enjambre denso de partículas diminutas, los quarks, pegados con un pegamento especial (la interacción fuerte).

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.

En el detector CMS del Gran Colisionador de Hadrones chocaron protones acelerados casi a la velocidad de la luz. Entre miles de millones de estas colisiones, los físicos buscaban una huella rara: el nacimiento de una partícula pesada que se deshace al instante en un bosón W y un quark b.

Dos flujos de coches chocan en un cruce. En los primeros instantes tras el impacto, los restos no se dispersan al azar, sino como si, por un momento, estuvieran envueltos en una nube común. Algo parecido es lo que han visto los físicos en el Gran Colisionador de Hadrones cuando los protones chocan entre sí a gran velocidad.

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.

Las partículas pesadas que los físicos llaman bariones se parecen a pequeñas familias de tres quarks. Los bariones ordinarios son los protones y neutrones que componen todo lo que nos rodea. Pero también hay parientes exóticos: en lugar de quarks ligeros, albergan quarks encantados o quarks fondo, que son pesados y de vida efímera.

Los quarks son los diminutos ladrillos con los que están hechos los protones y los neutrones. Normalmente se mantienen en parejas: una partícula y su gemelo especular, la antipartícula. Pero a veces los quarks forman combinaciones más extrañas, que los físicos llaman exóticas.

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.

La colisión de partículas a gran velocidad produce una lluvia de nuevas partículas. Entre ellas se encuentran los antiprotones, gemelos de los protones ordinarios, pero con carga opuesta. Cada una de estas partículas tiene su propia rotación, como una pelota de tenis lanzada con efecto. Pero si los antiprotones nacen con espín, nadie lo ha comprobado hasta ahora.

Si colocamos un kaón en un campo eléctrico, se estira ligeramente, como un globo que frotamos con lana. Esta respuesta —la polarizabilidad eléctrica— indica cuán rígida es la estructura interna de la partícula. Para el kaón cargado se ha medido por primera vez, y el número es este: alrededor de una diezmilésima parte del volumen que ocupa un protón.

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.