kaón

El mapa de la materia nuclear densa se asemeja a un mapa de carreteras: las líneas de transición de fase se cruzan en puntos críticos, como las autopistas en los cruces. Hasta ahora, en ese mapa se encontraban dos cruces: la transición nuclear líquido-gas y la de desconfinamiento, donde los hadrones se descomponen en quarks.

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 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.

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.

Al principio, instantes después del Big Bang, el universo estaba organizado de forma ridículamente simétrica: había tantas partículas como antipartículas. Pero ocurrió un desequilibrio, diminuto como un grano de arena extra en un kilo de azúcar, y todo el mundo que conocemos —estrellas, planetas, personas— surgió de ese excedente.

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.

Dos péndulos casi idénticos se ponen en marcha al mismo tiempo. Uno se amortigua rápido, el otro oscila durante mucho tiempo. En algún momento, sus movimientos se superponen — y en el patrón conjunto emerge un sutil desplazamiento, imperceptible por separado.

En el detector LHCb, donde chocan protones, entre miles de millones de desintegraciones se encontró una huella inusual. La partícula, llamada $$D_{s1}$$(2933)^+, aparece por un instante y se descompone inmediatamente en otras partículas. Su vida es tan corta que no se puede ver directamente; solo a través de los productos de su desintegración se puede reconstruir que existió.

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.

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.

Justo después del Big Bang el Universo era como una sopa burbujeante: del vacío emergían y se hundían pares de partículas y antipartículas. Pero la brusca expansión — época descrita por Alan Guth y Andrei Linde — selló esa olla con una tapa.

Cuando un bosón W (la partícula que transmite la interacción débil) se desintegra en un quark y un antiquark, a la enorme velocidad del colisionador estos dos fragmentos vuelan casi en la misma dirección.

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.

En 2017, en el Gran Colisionador de Hadrones, los protones chocaron a una energía de 5,02 TeV. El detector CMS registró esas colisiones y, entre miles de millones de eventos, los físicos buscaban un caso raro: la producción de un único quark top sin su antipartícula.

El protón no es una bolita compacta. Su carga, su masa y otras propiedades se distribuyen en el espacio de maneras distintas, y cada propiedad tiene su propio radio. Los físicos saben desde hace tiempo cómo medir dónde se concentra la carga del protón y dónde está su masa.

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 algún lugar sobre nuestras cabezas, cada segundo, un protón acelerado a energías millones de veces mayores que las del Gran Colisionador de Hadrones impacta contra la atmósfera. Golpea una molécula de aire y se genera una cascada: una extensa lluvia atmosférica de miles de partículas.

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.

En el corazón de los Alpes se esconde el Gran Colisionador de Hadrones. De vez en cuando sus detectores registran picos repentinos: los científicos los llaman UFO (objetos no identificados en caída). Según una teoría, no son fallos del equipo, sino rastros de materia oscura.

En los primeros instantes después del Big Bang el espacio hirvió. Una sustancia sobrecalentada que impregnaba el mundo generaba burbujas gigantes de una nueva fase, como un líquido produce vapor. Los choques de esas burbujas aceleraban partículas a energías inimaginables en los aceleradores terrestres.

La materia oscura es una sustancia invisible, cinco veces más abundante en el universo que la materia ordinaria. Sus partículas apenas tocan los átomos, pero de vez en cuando pueden rozar un electrón, como una cuerda acariciada por el viento.

Los rayos cósmicos —partículas con una energía monstruosa— viajan en la oscuridad del espacio intergaláctico. En una colisión frontal, su fuerza puede comprimirse en un agujero negro del tamaño de un átomo.