Gran Colisionador de Hadrones

En el Gran Colisionador de Hadrones se hacen chocar protones, y entre los escombros a veces aparece una partícula pesada: el barión lambda. Vive una fracción diminuta de segundo y se desintegra en otras partículas.

Tres bolas de billar tras el impacto se dispersan por la mesa: sus trayectorias dependen solo del impulso inicial. Pero en el mundo de los núcleos atómicos todo es más complejo: las partículas se sienten entre sí en movimiento, incluso si no están ligadas en un todo.

Tres bolas de billar tras el impacto se dispersan por la mesa: sus trayectorias dependen solo del impulso inicial. Pero en el mundo de los núcleos atómicos todo es más complejo: las partículas se sienten entre sí en movimiento, incluso si no están ligadas en un todo.

Un protón o un núcleo atómico a gran velocidad choca contra la atmósfera terrestre y nace una cascada de miles de millones de partículas. Esa lluvia atmosférica extensa se precipita hacia la superficie, mientras telescopios sensibles captan su tenue resplandor.

En las colisiones de protones en el Gran Colisionador de Hadrones, a veces no se produce un solo Higgs, sino dos a la vez. La frecuencia de estos eventos es una huella directa de cómo el campo de Higgs interactúa consigo mismo.

El corredor cósmico SS 433 surca la Galaxia expulsando dos estrechos chorros de gas incandescente a una cuarta parte de la velocidad de la luz. Es un microcuásar: un sistema binario donde un agujero negro arranca materia a una estrella normal y parte de ella escapa en forma de chorros.

El corredor cósmico SS 433 surca la Galaxia expulsando dos estrechos chorros de gas incandescente a una cuarta parte de la velocidad de la luz. Es un microcuásar: un sistema binario donde un agujero negro arranca materia a una estrella normal y parte de ella escapa en forma de chorros.

El bosón de Higgs es como un diapasón que suena en una nota perfectamente definida. Pero los físicos han aprendido a escucharlo incluso cuando la nota se desafina, en la región que llaman «fuera de resonancia». Precisamente allí, en los datos del detector CMS, se escondían las respuestas a las preguntas sobre de qué está hecho realmente el mecanismo de Higgs.

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.

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.

En las profundidades del detector ATLAS, como en un termo gigante, chapotea argón líquido: un líquido transparente a una temperatura de menos 184 grados Celsius. Cuando una partícula lo atraviesa, se genera una débil señal eléctrica, similar a un suave chapoteo.

En las profundidades de una estrella de neutrones, la materia está tan comprimida que los protones y neutrones habituales dejan paso a nuevos actores. Allí nacen los hiperones, partículas que contienen un quark extraño.

Durante mucho tiempo, los astrónomos buscaron las «fábricas» de los rayos cósmicos más energéticos — partículas que llevan en su interior un macromundo comprimido al tamaño de un núcleo atómico. Las sospechas recaían sobre colosales regiones de formación estelar como Cygnus OB2, donde chocan los vientos de jóvenes gigantes.

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.

En un caluroso mediodía, un bochorno sofocante se cierne sobre la ciudad y en el horizonte no hay ni una nube. Normalmente, con este tiempo solo queda esperar a que la naturaleza se apiade y envíe un poco de frescor. ¿Y si pudiéramos encender la sombra y la lluvia según un horario, como la luz de una habitación?

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.

Una piedra cae en un estanque y ondas se expanden por el agua. Así también la luz de galaxias lejanas se dispersa en todas direcciones — con calma y mesura. Pero en el centro de algunas galaxias no se esconde una piedra, sino un verdadero cañón: dispara partículas con una fuerza colosal. Los astrónomos llaman a estos objetos HSP BL Lac.

Una estación de tren ruidosa en hora punta. Miles de personas se apresuran, las voces se funden en un murmullo. Y en algún lugar de esa multitud, dos personas intentan darse la mano con un gesto especial, casi imperceptible. Notar ese apretón de manos es casi imposible.

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 haces deslumbrantemente brillantes chocan de frente. En el punto de encuentro, por un instante, nace una partícula: la misma que es responsable de la masa de todo lo que existe. Es el bosón de Higgs. Normalmente se obtiene acelerando protones o electrones, pero aquí los proyectiles son las propias partículas de luz: los fotones.

En el Gran Colisionador de Hadrones, los protones chocan miles de millones de veces por segundo, y solo una vez por billón de colisiones se produce un par de bosones de Higgs (las partículas responsables de la masa de todo lo que existe). En el experimento CMS, los físicos rastrearon precisamente esos eventos.

Una moneda cayendo de canto: así de raro es que un mesón B pesado se desintegre en un pión ligero y un par electrón-positrón. En una década de funcionamiento del colisionador, solo se ha acumulado un puñado de estos sucesos, pero los físicos por fin han podido distinguirlos.

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.

Un puñado de monedas se acelera hasta una quinta parte de la velocidad de la luz. Así serán las sondas interestelares Coracle: unos aparatos diminutos de unos pocos gramos, cada uno con una finísima película de vela. Las empuja un potente rayo láser: la luz presiona la vela como el viento hincha las velas de un yate, solo que en lugar de aire hay un flujo de fotones.

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 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.

Las gotas de aceite en un caldo hirviendo normalmente se separan, pero si chocan muy lentamente, pueden pegarse por un instante. Algo parecido ocurre con los quarks top, los ladrillos más pesados de la materia conocida.

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.

Cuando dos partículas vuelan casi a la misma velocidad y en la misma dirección, sus señales en el detector se funden, como dos voces al unísono. Distinguir un dúo de un solista es todo un arte.

Entre 2016 y 2018, en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, los protones chocaron con una energía de 13 teraelectronvoltios, como si dos guisantes se aceleraran hasta velocidades en las que su impacto engendra un enjambre de nuevas partículas.

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 el Gran Colisionador de Hadrones chocan protones y del destello nacen decenas de partículas. Entre ellas pueden estar las huellas de procesos raros, como la desintegración del bosón de Higgs en dos bosones W. Pero estas partículas se dispersan tan rápido que sus huellas se funden en un único chorro ancho.

Los rayos cósmicos son partículas que nos llegan desde el espacio profundo. Cuando una de estas partículas choca contra la atmósfera, genera toda una lluvia de nuevas partículas, como una bola de billar que rompe el triángulo y las bolas salen disparadas en todas direcciones.

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.

Una carretera circular alrededor del Sol por la que no circulan automóviles, sino paquetes de materia. El diámetro de esta carretera es de años luz: rodea nuestro sistema planetario por su borde exterior, en la nube de Oort, donde aún se siente la débil atracción de la estrella.

En las colisiones de protones del Gran Colisionador de Hadrones, los físicos han atrapado por primera vez una partícula con dos quarks encantados. Se llama Ξcc+ (se pronuncia «ksi-ksi-más») y se parece a una cuenta que, en lugar de un núcleo pesado, tiene dos.

Dos partículas que se separan en direcciones opuestas se comportan como un todo: la medición de una determina instantáneamente el estado de la otra. Este entrelazamiento cuántico se conocía desde hace tiempo en partículas ligeras, pero ahora se ha observado por primera vez en los pesados bosones Z, los portadores de la interacción débil.

En la cocina, dos haces de linternas se atraviesan mutuamente sin notarse. La luz casi no interactúa con la luz. Pero si se aceleran partículas a energías enormes, dos fotones pueden colisionar y dar lugar a algo nuevo.