KATRIN

Imaginen una sala donde cientos de personas hablan al mismo tiempo mientras ustedes intentan oír cómo cae un alfiler. Así escucharon los físicos de la colaboración PandaX-4T el silencio dentro de 3,7 toneladas de xenón líquido.

Una esfera de aluminio del tamaño de un globo terráqueo grande se sitúa en un haz de neutrones y responde a cada impacto con una nota precisa. Dentro de la esfera no hay nada más que nitrógeno y once pequeñas esferas de acero, cada una del tamaño de la cabeza de un alfiler.

En el hielo antártico se esconde un detector del tamaño de un kilómetro cúbico. No capta luz, sino partículas fantasma: los neutrinos. Pero a veces puede aparecer una bestia muy distinta: un par de muones que nacen juntos y se dispersan en un amplio abanico. Ese patrón no puede dibujarlo ninguna partícula conocida de la materia ordinaria.

Medir distancias en el universo no es tarea fácil. Casi todos los métodos se basan en la luz, que en su camino hacia nosotros puede ser absorbida por el polvo, dispersarse o distorsionarse. Es como intentar divisar un faro lejano a través de la niebla y la bruma. Los neutrinos son harina de otro costal. Estas partículas fantasma atraviesan cualquier cosa sin inmutarse.

En lo alto de las montañas, donde el aire es transparente y silencioso, los físicos se preparan para cazar a unos invitados escurridizos del cosmos: los neutrinos. Estas partículas, como fantasmas, atraviesan la Tierra sin apenas dejar rastro. Pero a veces un neutrino choca contra un átomo y genera una lluvia de partículas que puede verse.

Los neutrinos solares son partículas diminutas que nacen en el interior del Sol a razón de billones cada segundo. Atraviesan la Tierra casi sin notarla y durante mucho tiempo se los consideró absolutamente estables. Pero quizás también ellos puedan "envejecer": desintegrarse imperceptiblemente y desaparecer en su camino hacia nosotros.

En 1998, los físicos sorprendieron a los neutrinos en plena acción: la partícula cambia de tipo sobre la marcha. Esto solo es posible si tiene masa. Se convirtió en la única prueba de laboratorio de física más allá del modelo estándar. Pero cuánto pesa exactamente un neutrino sigue siendo un misterio.

La colisión de dos estrellas de neutrones es un laboratorio cósmico donde la materia se comprime hasta densidades inimaginables. En los primeros instantes tras la fusión, se forma una nube ardiente que se enfría emitiendo neutrinos. Estas partículas invisibles se llevan la energía y dictan cuánta materia será expulsada al espacio y qué elementos pesados se sintetizan.

Un electrón que atraviesa un núcleo pesado se comporta como una pelota de tenis lanzada a través de una empalizada. Si los barrotes de la valla están espaciados de manera desigual —más juntos en unas zonas, más separados en otras—, la pelota se desviará de forma distinta.

En las profundidades del océano, donde no llega la luz, nace un plan para capturar partículas que casi no interactúan con nada. Los geoneutrinos, pequeños mensajeros del manto ardiente, surgen de la desintegración del uranio y del torio. Su flujo transporta información sobre cuánto calor se esconde bajo nuestros pies.

El Sol es un reactor nuclear gigante que nos envía luz y calor sin cesar. Pero también tiene otro correo, casi silencioso: cada segundo, decenas de miles de millones de neutrinos —partículas fantasma nacidas en el horno termonuclear— atraviesan un centímetro cuadrado de tu palma. La mayoría no deja ni rastro.

El Sol no es solo una fuente de luz, sino un laboratorio gigante donde nacen partículas fantasma. Cada segundo, miles de millones de neutrinos atraviesan tu cuerpo sin apenas notarlo. Pero dentro del Sol, estas partículas se comportan de otra manera: cambian de tipo sobre la marcha, como un actor que interpreta tres papeles en una misma obra.

Si comprimes un trozo de metal común, se calienta; esto lo sabe incluso quien ha inflado la rueda de una bicicleta. Pero, ¿qué ocurre si comprimes un imán en el que las agujas atómicas se niegan a quedarse quietas incluso en el cero absoluto?

En los primeros instantes después del Big Bang, el Universo era una sopa hirviente de partículas elementales. Incluso los ligeros neutrinos chocaban entonces activamente con todo lo que había.

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.

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 velocidad de la luz en el vacío es el metrónomo de la física: marca el ritmo de todos los procesos. Si se desincroniza, la armonía habitual se derrumba. Los neutrinos, partículas cósmicas omnipresentes pero casi esquivas, pueden verificar si este ritmo se altera en condiciones extremas.

Los neutrinos son las partículas con masa más abundantes del universo. Atraviesan nuestro cuerpo por billones cada segundo, pero apenas dejan rastro. Su atracción gravitatoria conjunta, aunque ínfima, puede influir en el movimiento de galaxias enteras.

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.

Una balanza con pesas idénticas, pero un platillo siempre pesa más. En el mundo de las partículas elementales, ese desequilibrio se llama violación de la simetría CP: las partículas y sus gemelos especulares (las antipartículas) se comportan de manera ligeramente diferente.

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 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.

Muy por debajo de nuestros pies, en el espesor del planeta, tiene lugar una lenta desintegración de elementos radiactivos. En ese proceso nacen partículas diminutas: los geoneutrinos. Atraviesan la corteza terrestre, el manto y el núcleo casi sin interactuar con nada.

Un punto cuántico es una trampa para electrones del tamaño de unos pocos átomos, donde la partícula se comporta como una bolita en una caja diminuta. Si colocamos dos de estas cajas una al lado de la otra, los electrones pueden saltar entre ellas, y el sistema se vuelve parecido a un par de vasos comunicantes.

El tritio radiactivo se desintegra y expulsa un electrón. Su energía es casi siempre la misma, pero a veces es un poquito menor. Ese 'déficit' podría significar que, junto con el neutrino ordinario, nació otra partícula oculta. El modelo estándar describe tres tipos de neutrinos, pero los científicos sospechan que hay un cuarto: el estéril.

El kaón es una partícula longeva según los estándares del micromundo: vive milmillonésimas de segundo antes de descomponerse en partículas más ligeras. En el experimento KOTO en Japón se capturan las variantes más raras de esta desintegración.

Una diminuta partícula fantasma atraviesa un trozo de germanio. Normalmente no deja rastro, pero a veces, como una bola de billar, golpea el núcleo de un átomo. El núcleo rebota y ese empujón se puede detectar. En Oak Ridge, en el laboratorio nacional, el detector Ge-Mini estuvo captando esos rebotes durante dos años. Los neutrinos son las partículas conocidas más escurridizas.

Los neutrinos son partículas diminutas que atraviesan la Tierra casi sin notarla. En el experimento MicroBooNE se capturan en un tanque de argón líquido. Cuando un neutrino choca con un núcleo de argón, se producen un electrón y protones, como salpicaduras de una piedra lanzada al agua.

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.

Titán, la luna más grande de Saturno, está envuelto en una densa neblina anaranjada. Está compuesta por hidrocarburos y otras moléculas orgánicas que nacen cuando la luz solar descompone el metano y el nitrógeno en las capas altas de la atmósfera.

Los neutrinos son partículas fantasma. Atraviesan la Tierra casi sin notarla. Para atrapar al menos uno, se construyen detectores enormes. En el experimento NOvA, uno de estos detectores está ubicado en Minnesota. A lo largo de los años, ha acumulado alrededor de un millón de interacciones de antineutrinos muónicos.

En el espesor del hielo antártico, a una profundidad donde no llega la luz del sol, cuelgan antenas. No escuchan sonidos, sino ondas de radio, y esperan la señal de una partícula que es casi imposible de atrapar. El neutrino atraviesa la Tierra como una bala atraviesa la niebla, pero a veces, muy raramente, roza un átomo de hielo.

En una sala subterránea de Fermilab se encuentra un enorme tanque de argón líquido, un líquido transparente a una temperatura de menos 186 grados. Cuando una partícula invisible, el neutrino, entra en el tanque, a veces choca con un núcleo de argón y se produce un breve rastro de partículas cargadas.

El antiprotón es la gemela especular del protón: la misma masa, pero carga negativa. Cuando se acerca al núcleo de un átomo, las partículas pueden aniquilarse, convirtiéndose en radiación.

En los años treinta, Pauli comprendió: sin unas diminutas partículas fantasmales, la energía de las estrellas no cuadraba. Así nacieron los neutrinos, viajeros intangibles que lo atraviesan todo.

En un enorme espectrómetro en Karlsruhe, parecido a un gigantesco barril metálico, se capturan partículas que casi no se dejan atrapar. Los neutrinos son los fantasmas del micromundo: cada segundo, billones de estas partículas atraviesan tu cuerpo sin que lo notes. Pero tienen masa, y los científicos quieren medirla.

Un electrón sale del núcleo de tritio con una energía de 18,57 keV, dejando tras de sí un compañero invisible: el neutrino. Si ese neutrino tiene acceso a una quinta dimensión, su masa se descompone en toda una torre de estados, y cada uno de ellos arranca un pedazo del espectro.

Muy por encima de la Tierra vuela un satélite, y dentro de él hay un instrumento del tamaño de un armario pequeño. Atrapa partículas que han viajado durante miles de millones de años a través de la galaxia y finalmente chocan contra el detector. Estas partículas se llaman rayos cósmicos y traen noticias de lejanas explosiones estelares.

El globo ATIC se elevó sobre la Antártida y capturó partículas más antiguas que la propia Tierra. Entre ellas, núcleos atómicos desde azufre hasta cromo, y cuanto mayor es su energía, mayor es su proporción en comparación con el hierro.

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.