colisión de iones pesados

El péndulo de estos relojes no oscila por un resorte o una pesa, sino por un diminuto empujón dentro del núcleo atómico. Los relojes atómicos ordinarios miden el tiempo mediante las oscilaciones de los electrones, pero aquí el péndulo es el propio núcleo: una densa bolita de protones y neutrones.

Una vieja fábrica donde, en lugar de máquinas, hay núcleos atómicos y el entorno hierve con radiación de neutrinos. Cuando una estrella masiva agota su combustible, su núcleo se comprime cien veces y la temperatura se dispara a miles de millones de grados.

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 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.

La historia comenzó hace casi un siglo, cuando Edwin Hubble demostró que las galaxias se alejan, y Fritz Zwicky y Vera Rubin comprendieron después que para explicar sus movimientos era necesaria una masa invisible: la materia oscura.

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".

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.

En lo profundo del detector del Gran Colisionador de Hadrones chocan protones y, por un instante, nace algo pesado. Se desintegra al instante en dos bosones de Higgs, partículas que, como muñecas rusas, esconden en su interior dos pares de quarks b.

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.

Si metes dos termómetros idénticos en una olla con agua caliente, marcarán lo mismo, y nos tranquilizamos: la temperatura está bien medida. Pero en un gas enrarecido calentado a millones de grados, este truco deja de funcionar. Aquí las partículas casi no chocan entre sí, por lo que los electrones más rápidos se escapan, mientras que los lentos se acumulan en el centro.

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.

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.

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.

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.

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.

En un plasma donde algunos átomos permanecen neutros, las líneas de campo magnético pueden reorganizarse a diferentes velocidades. Es como dos bandas elásticas que primero están enganchadas y de repente se sueltan y se contraen, liberando energía.

En las colisiones de núcleos pesados se genera una bola de fuego compuesta por miles de partículas. Entre ellas se encuentran los piones y los kaones, dos tipos de partículas ligeras muy similares entre sí. Para entender qué ocurre en esa bola de fuego, los físicos necesitan saber con exactitud cuántas partículas de cada tipo han salido.

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 núcleo atómico no es una esfera sólida, sino una gota de líquido que se puede comprimir. Para entender cuán elástica es, los físicos aceleran núcleos de oro y los hacen chocar entre sí. En el impacto, la materia se comprime hasta densidades similares a las de una estrella de neutrones y luego se dispersa.

El láser impacta el blanco y una nube de plasma sale disparada hacia la cámara a cientos de kilómetros por segundo. Alrededor no hay vacío: la cámara está llena de un gas enrarecido que hace las veces de medio interestelar.

Diez microsegundos después del Big Bang, el universo parecía una olla de caldo hirviendo. En ella flotaban quarks y gluones, las partículas de las que luego se formarían protones y neutrones. El caldo se enfriaba y, en cierto momento, los quarks se agruparon en grumos: esos mismos protones y neutrones que componen toda la materia visible.

Dos peonzas se lanzan simultáneamente en direcciones opuestas. Si una gira hacia la izquierda, la otra siempre gira hacia la derecha, sin importar cuán lejos se separen. Así funciona aproximadamente el entrelazamiento cuántico, solo que en lugar de peonzas tenemos quarks top, las partículas más pesadas conocidas.

El agua en una tetera se calienta hasta los cien grados y deja de ser agua para convertirse en vapor. Algo parecido ocurre con los núcleos atómicos cuando se hacen chocar a velocidades enormes en el Gran Colisionador de Hadrones.