xenón líquido

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 un tanque con tres toneladas de xenón líquido, escondido en las profundidades de la tierra, algo se movió una vez. No fue el propio xenón, sino uno de sus núcleos atómicos: recibió un empujón con una energía de 248 mil electronvoltios y retrocedió como una bola de billar golpeada por una bola invisible.

En el microscopio que ve átomos individuales reinan el frío y el silencio: la temperatura ronda los -268 °C y en su interior hay un vacío perfecto. Para colocar átomos de hierro individuales sobre ese escenario, normalmente se necesita un "pasillo" directo desde el evaporador hasta la muestra.

Un rayo láser impacta en un blanco delgado escondido entre capas de otro material. En milmillonésimas de segundo, la materia se comprime hasta una densidad de 25 gramos por centímetro cúbico, como si un trozo de plomo se volviera más de dos veces más pesado sin moverse de su sitio.

Nadie ha visto la materia oscura, pero debería atravesar los detectores como el viento atraviesa las hojas. A veces, muy raramente, una partícula de materia oscura roza el núcleo de un átomo, y entonces el detector debe captar ese empujón. El problema es que las partículas ligeras de materia oscura apenas pueden mover núcleos pesados: es como intentar derribar un bolo lanzándole una pluma.

Una bola de billar flota en el aire. Desde una cerbatana salen diminutos guisantes hacia ella. Cada golpe es apenas perceptible, pero si la bola es muy ligera y casi no vibra por el calor, se pueden distinguir los impactos individuales.

En el interior del Sol tienen lugar reacciones que podrían generar partículas ligeras y casi indetectables: los axiones. Una de estas reacciones produce axiones con una energía de 5,49 MeV, como si cada uno llevara la energía del impacto de una pelota de tenis que viaja a 100 km/h.

Un cristal de yoduro de sodio dopado con talio es como una película fotográfica para partículas invisibles. Cuando un rayo gamma o una hipotética partícula de materia oscura incide en él, emite un destello de luz débil. Dos fotomultiplicadores de silicio, presionados contra los extremos del cristal, captan ese destello desde ambos lados.

El radiotelescopio FAST, con su antena de quinientos metros, captó una señal en la longitud de onda de 21 centímetros, la forma en que brilla el hidrógeno frío. La señal provenía de una nube bautizada como Cloud-9. Flota en el espacio junto a la galaxia M94, pero no contiene ni una sola estrella.

En un cristal bidimensional de diseleniuro de wolframio (WSe₂), la luz crea pares: un electrón y un hueco que permanecen unidos. Estos pares se denominan excitones. Entre ellos hay algunos "oscuros" que apenas emiten luz, pero son precisamente los que marcan la pauta a bajas temperaturas.

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.

A las nueve de la mañana, el detector DarkSide-50 a 1400 metros bajo el monte Gran Sasso registra un débil pulso de ionización. A las once de la noche, la frecuencia de estos eventos disminuye notablemente. No es un fallo electrónico ni una variación estacional del fondo.

Las tecnologías cuánticas necesitan urgentemente un «traductor» universal entre los lenguajes de las microondas y la luz. Los qubits superconductores se comunican mediante ondas centimétricas, mientras que los fotones en fibra óptica lo hacen en frecuencias ópticas.

La materia oscura no deja rastro en los detectores convencionales: los atraviesa como el viento a través de una gasa. Para percibirla se necesitan instrumentos capaces de sentir el golpe de un mosquito en plena tormenta. Los sensores cuánticos con umbral de fracciones de electronvoltio (mil veces menos energía que la luz visible) son justo eso.

Un láser no es solo luz. Si haces que una partícula oscile como un péndulo y esas oscilaciones se autoalimentan, obtienes un láser fonónico. Suena complicado, pero la idea es simple: en lugar de ondas de luz, el dispositivo emite ondas mecánicas regulares: fonones. En el nuevo trabajo, ese "péndulo" es un único ion de calcio atrapado en una trampa electromagnética.

Los detectores de materia oscura son, en esencia, micrófonos de sensibilidad increíble, capaces de oír un susurro en medio del estruendo de un concierto de rock. Su tarea es captar los raros empujones de las hipotéticas partículas de materia oscura que, se cree, chocan ocasionalmente con los núcleos de la materia ordinaria.

Cada segundo, unas cien partículas invisibles atraviesan tu cuerpo: los muones. Nacen en lo alto del cielo cuando los rayos cósmicos chocan con los átomos del aire y caen sobre la Tierra como lluvia. Estas partículas son tan penetrantes que pueden atravesar un edificio de varios pisos, pero al encontrar materia densa, como plomo o uranio, se desvían ligeramente.

La historia comenzó con un desconcierto: en los años 30, Fritz Zwicky notó que los cúmulos de galaxias se comportaban como si ocultaran una enorme masa invisible.

En una habitación oscura, una cuenta de vidrio del tamaño de una mota de polvo cuelga de un rayo láser. Debajo hay dos espejos: uno de aluminio y otro de plata. Si cerca pasan axiones —ligeras partículas invisibles que podrían constituir la misteriosa materia oscura—, estos intercambian axiones con los átomos de los espejos y la cuenta se desplaza ligeramente.

La materia oscura aún escapa a la observación directa, aunque su gravedad mantiene unidas a las galaxias. Una hipótesis: está compuesta de axiones, partículas muy ligeras predichas por la teoría.

Un detector lleno de helio-4 superfluido se asemeja a un lago perfectamente tranquilo. El líquido no chapotea ni burbujea: permanece inmóvil en un único estado cuántico. A través de él atraviesa un visitante invisible: una partícula de materia oscura. Ella misma no brilla ni deja rastro.

Una estrella de neutrones es el núcleo muerto de una estrella masiva, comprimido hasta el tamaño de una ciudad. Una cucharadita de su material pesa como una montaña.

Una diminuta cuenta de vidrio flota en un rayo láser como una mota de polvo en la luz del sol. A su alrededor hay un gas enrarecido: átomos de criptón, xenón y pesadas moléculas de hexafluoruro de azufre. Chocan contra la cuenta, y cada impacto le transmite un diminuto impulso, como un guisante lanzado contra una sábana tensa que la hace vibrar.

Una nube fría de átomos se parece a un enjambre de luciérnagas que se sienten atraídas entre sí. La atracción entre los átomos intenta reunirlos en una masa densa. Pero el temblor cuántico —el movimiento inevitable de las partículas— impide que la masa colapse. Cuando la atracción es fuerte, la nube se divide en cúmulos separados.

Una lámina de silicio del grosor de medio cabello atrapa una partícula que pasa, como la palma de la mano atrapa una gota de lluvia. Pero si la gota es un protón acelerado a una energía enorme, la palma puede sufrir una quemadura. Dentro del detector nace una avalancha de carga, y a veces es suficiente para perforar un agujero microscópico.

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.

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

Una aguja metálica desciende sobre un trozo de superconductor. Todo ocurre dentro de un refrigerador que enfría la muestra hasta 30 milésimas de grado por encima del cero absoluto, cien veces más frío que el espacio exterior.

Una antena común capta ondas de radio, pero hay campos que casi no percibe. Hablamos de campos eléctricos lentos, aquellos que cambian una vez por segundo o menos. Para ellos, los físicos han construido un sensor a partir de un haz de átomos de rubidio.

Bajo tierra, en una antigua mina de oro, hay un tanque con xenón líquido. Si una partícula de materia oscura lo atraviesa, el xenón destella. Pero también destella con partículas ordinarias, como neutrinos o restos de radiactividad. El desafío es saber qué destello proviene de la materia oscura y cuál es ruido.

La cámara que busca tumores funciona como una cámara fotográfica muy sensible: capta el débil resplandor de una sustancia que se acumula en las células enfermas. En los aparatos convencionales, la luz nace en un cristal, una pieza sólida parecida al vidrio. Pero el cristal no siempre transmite con exactitud dónde se produjo el destello, y la imagen sale ligeramente borrosa.

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.

Una olla con agua hirviendo sobre la estufa: cuanto más fuerte es el fuego, más caliente está el agua y más vapor escapa. Algo similar ocurre con el gas caliente en los cúmulos de galaxias. Pero en los grupos pequeños de galaxias, ese "vapor" se escapa más rápido de lo que cabría esperar según la temperatura.

En un tanque oscuro de treinta toneladas, el agua brilla cuando una partícula fantasma la atraviesa. El neutrino casi no interactúa con la materia, pero de vez en cuando choca con los átomos y entonces se produce un destello. Para atraparlo, se añade al agua una sustancia especial: un centelleador líquido que amplifica la luz.

En un oscuro pozo bajo los Alpes italianos, un tanque contiene tres toneladas de xenón líquido. Cuando una partícula lo atraviesa, arranca de los átomos débiles destellos de luz y nubes de electrones. Siguiendo estas huellas, los físicos esperan ver la desintegración más rara: el núcleo de xenón-136 se convierte en bario-136, emitiendo dos electrones y ningún neutrino.

En lo profundo de una mina canadiense hay un barril con 3269 kilogramos de argón líquido, un líquido transparente parecido al agua muy fría. Este barril es el detector DEAP-3600, y su misión es atrapar partículas de materia oscura, que se cree que impregnan el universo pero apenas interactúan con la materia ordinaria.

En un frío profundo, a solo dos grados por encima del cero absoluto, una cavidad de cobre del tamaño de una cacerola escucha el silencio del universo.

En la epilepsia, el médico ajusta la dosis del fármaco casi a ciegas. Si es demasiado baja, las convulsiones continúan; si es demasiado alta, aparecen efectos secundarios. Normalmente, la sangre del paciente se envía al laboratorio y el resultado llega en uno o dos días. Ahora, el mismo análisis se puede hacer en un diminuto chip de silicio.

El detector de materia oscura es como una habitación donde intentan escuchar un susurro, mientras cerca crepita la electricidad estática. Este crepitar lo producen los átomos de radón, un gas radiactivo que se filtra de los materiales y del aire.

El universo se mantiene unido por un armazón invisible de materia oscura. Tal vez una parte de ella sean fotones oscuros, copias fantasmales de la luz que atraviesan la materia. El experimento Dandelion convirtió un espejo esférico en un oído supersensible: recoge los fotones oscuros y los traduce al lenguaje de las ondas de radio.