leptón

En el laboratorio subterráneo de Dakota del Sur, el detector LUX-ZEPLIN, lleno de xenón líquido, espera colisiones raras. Normalmente, las partículas de materia oscura lo atraviesan sin dejar rastro, pero un día un núcleo de xenón se desplazó con una energía de 248 keV.

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.

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.

Cada segundo, un flujo invisible de partículas atraviesa el cuerpo humano. Son los neutrinos, diminutos mensajeros de estrellas lejanas y reactores terrestres. Capturarlos es casi imposible: atraviesan la materia como una bala atraviesa la niebla. Pero los físicos han aprendido a tenderles emboscadas.

En física nuclear, un enigma llevaba tiempo sin resolverse: ¿por qué entre los elementos más ligeros que el bismuto solo el tecnecio (n.º 43) y el prometio (n.º 61) no tienen ni un solo isótopo estable? Todos sus vecinos en la tabla periódica pueden presumir de al menos una variante de larga vida, pero estos dos parecen escapar a la regla general.

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.

Una balanza capaz de pesar lo invisible: así funciona la relación de desintegraciones de los mesones ligeros (pión y kaón) en electrones y muones. Si la naturaleza obedece las mismas reglas para todas las generaciones de partículas, los platillos de esta balanza marcan un número estrictamente definido. Pero si en algún lugar se esconde una fuerza desconocida, la aguja temblará.

Los neutrinos recuerdan a bailarines invisibles que cambian de máscara en pleno salto. Los tres tipos de estas partículas —el neutrino electrónico, el muónico y el tau— se transforman constantemente entre sí. Esta danza se describe mediante una compleja matriz de mezcla, y los físicos llevan tiempo intentando descomponerla en movimientos simples.

La Luna es una esfera sin aire hecha de un denso escombro rocoso llamado regolito. Cuando partículas rápidas del espacio chocan contra ella, en el suelo nacen muones, parientes inestables de los electrones, pero doscientas veces más pesados. La mayoría vuela hacia abajo y se apaga en la profundidad.

El leptón tau es una partícula de vida corta, un pariente pesado del electrón. Cuando se desintegra, los quarks en su interior intercambian gluones, como jugadores en una habitación cerrada que se lanzan una pelota. Los lanzamientos en sí no se ven, solo se nota el marcador final: dos piones que salen disparados en ciertos ángulos.

El electrón y el muón son migajas magnéticas. Su magnetismo es ligeramente mayor que dos (en unidades especiales), y esta 'fracción excedente' (momento magnético anómalo) surge del constante oleaje en el vacío: pares de partículas que aparecen y desaparecen por un instante.

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.

Núcleos atómicos envueltos en esponjosos abrigos de electrones: con semejante ropa, no hay abrazo que valga. Pero cambia el abrigo ligero por uno pesado: el muón, una partícula del modelo estándar, comprime la nube casi 200 veces.

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?

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.

Un fuego artificial estalla y un solo punto se dispersa en cuatro chispas. Algo similar hace el bosón Z —la partícula que transmite la interacción débil— cuando se desintegra en cuatro leptones cargados (electrones o muones). El proceso es extremadamente raro: por cada millón de bosones Z producidos, solo ocurren unos cinco de estos sucesos.

En los primeros instantes tras el Big Bang, la materia y la antimateria deberían haber nacido en igual cantidad. Pero hoy solo vemos materia: estrellas, planetas, nosotros mismos. ¿Dónde quedó la antimateria? Una de las pistas se esconde en partículas casi imperceptibles: los neutrinos diestros.

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.

Dentro del modelo estándar, nuestra descripción más completa del mundo subatómico, la carga eléctrica siempre es un múltiplo de la carga del electrón: la naturaleza opera con unidades enteras, como un constructor que usa ladrillos de un tamaño estrictamente definido. Sin embargo, las ecuaciones permiten la existencia de partículas con doble carga: los bileptones.

Tres pesas de forma inusual yacen sobre una mesa. Su peso exacto es desconocido, pero basta con colocarlas en una balanza de platillos en cierta combinación —y la aguja siempre señala el mismo número mágico. Así se ve aproximadamente el enigma que los físicos llaman la relación de Koide para los tres leptones cargados: el electrón, el muón y la partícula tau.

Dos pequeñas peonzas se separan tras el impacto. Su rotación no está predeterminada: solo se define en el momento de la medición. Esto es entrelazamiento cuántico: el estado de una peonza responde instantáneamente al estado de la otra, sin importar cuán lejos se encuentren.

Para conocer el tamaño real del protón, los físicos reemplazaron el electrón en el átomo de hidrógeno por su copia pesada: el muón. El muón, como una lupa con aumento de mil veces, se acerca al núcleo y «palpa» el protón con una precisión antes inalcanzable.

Una enorme esfera llena de líquido destella cuando una partícula esquiva —un neutrino— la atraviesa. Dentro de la esfera, como luciérnagas en un árbol de Navidad, cuelgan miles de tubos que captan esos destellos. Para saber con precisión dónde brilló y cuánta energía llegó, es necesario conocer la posición de cada tubo al milímetro.

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.

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.

El muón se parece al electrón, solo que es 200 veces más pesado y vive dos millonésimas de segundo. Su momento magnético —cómo responde la partícula a un campo magnético— se ha medido con una precisión fantástica. Pero el valor medido es un poquito mayor de lo que predice la teoría.

En lo profundo de los Apeninos, en un tanque con tres toneladas de xenón líquido, algo tiembla imperceptiblemente cada pocos días.

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 el acelerador bajo Pekín, electrones y positrones chocan y, por un instante, nacen partículas que no se encuentran en la materia ordinaria. Una de ellas es la lambda-c-plus: en su interior lleva un pesado quark encantado, como una piedra en una honda.

Cuando un neutrón o un protón penetra en un núcleo atómico, se comporta como una pelota que golpea una pared irregular: puede rebotar de muchas maneras, dependiendo de dónde impacte.

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.

El leptón tau es un pariente pesado del electrón que vive menos de una billonésima de segundo. Normalmente se desintegra en partículas más ligeras, pero nunca directamente en tres muones: esa transición está prohibida por las leyes conocidas de la física de partículas. Si ocurriera, significaría que en la naturaleza actúan fuerzas desconocidas.

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.

En el acelerador chocan un electrón y un positrón, y por un instante nace una partícula que vive menos de una milmillonésima de segundo. Su desintegración se asemeja a la explosión de un diminuto petardo: los fragmentos salen disparados en todas direcciones, y por sus trayectorias los físicos reconstruyen lo que había en el interior.

El protón no es una bolita sólida. En su interior hierve una mezcla de quarks y gluones. Los gluones son las partículas que pegan los quarks, como el pegamento une las maderas. La pregunta es: ¿cuánto "peso" del protón corresponde a este pegamento? Los físicos lo han calculado en una computadora, dividiendo el espacio y el tiempo en una cuadrícula fina.

Dentro del acelerador, las partículas chocan y, por un instante fugaz, nace un mesón B: una partícula pesada que vive menos de una milmillonésima de segundo. Normalmente se desintegra en muchos fragmentos, pero a veces se convierte en solo dos partículas: un muón y un neutrino. Este raro camino se parece a una lotería donde el boleto ganador sale una vez cada dos millones de sorteos.

En un acelerador de partículas, la anti-lambda es un invitado raro. Nace en pleno vuelo, vive una fracción diminuta de segundo y normalmente se desintegra por sí sola. Pero a veces alcanza a chocar con un protón ordinario, y entonces nace todo un haz de partículas ligeras: kaones, piones.

El quark top es el ladrillo más pesado de la materia conocida, pero la teoría predice un gemelo esquivo, el quark T, que podría ser varias veces más pesado. Para hacerlo visible, los físicos colisionan protones con muones — parientes inestables del electrón.

Un cristal de óxido de magnesio se parece a una formación de soldados: los átomos están alineados en filas ordenadas y un electrón corre entre ellos. Pero si el electrón se detiene, los átomos cercanos se desplazan ligeramente de sus posiciones, como si los vecinos de la fila giraran la cabeza. El electrón queda atrapado en un hueco formado por los átomos desplazados y ya no puede moverse libremente.