rango de masas

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.

En la oscuridad total de una cámara de vacío flota un diminuto imán. No toca las paredes y apenas pierde energía: un guardián perfecto, listo para captar el más leve empujón. Ese guardián es justo lo que se necesita para cazar axiones. Estas partículas son las principales sospechosas del caso de la masa oculta del universo, a la que llamamos materia oscura.

El universo está impregnado de masa invisible: la materia oscura, cuya existencia fue propuesta por primera vez por Fritz Zwicky en la década de 1930, al observar el movimiento de las galaxias en los cúmulos.

Un océano que impregna todo el espacio permanece invisible para nosotros. Ese océano es la materia oscura, y las olas en su superficie son partículas llamadas axiones. Son tan ligeros y escurridizos que atraviesan la Tierra sin siquiera notarla.

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.

La materia oscura es una sustancia invisible que se manifiesta solo a través de su influencia gravitatoria: curva la luz de galaxias lejanas, como una ventana invisible que desvía los rayos.

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.

Una lupa concentra la luz del sol en un punto brillante. Si el cristal tiene un diminuto defecto, el punto de luz se distorsiona. Así funciona, más o menos, el lente gravitacional: una galaxia masiva curva los rayos de luz de una fuente más lejana, creando una imagen ampliada y a veces distorsionada.

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.

La materia oscura es invisible, pero su gravedad gobierna el movimiento de las galaxias. De qué está hecha es un misterio. Una idea: son partículas ultraligeras, parecidas a los axiones.

Los detectores convencionales de materia oscura se parecen a un portero de fútbol que espera un disparo potente, pero el balón apenas rueda. Las partículas invisibles que llenan nuestra galaxia a menudo se mueven demasiado despacio para que los sensores sensibles las noten.

En una ciudad ruidosa intentas oír un grillo. Es silencioso y alrededor rugen los coches. Para captar su chirrido, colocas un micrófono sensible y pulsas el botón de reducción de ruido. De manera similar, los físicos cazan axiones, partículas hipotéticas que podrían ser esa materia oscura que mantiene unidas las galaxias.

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 los primeros cientos de millones de años después del Big Bang, el cosmos parecía un ruidoso club de adolescentes: las galaxias estallaban, chocaban y formaban estrellas por cientos. Pero en medio de ese bullicio, el telescopio James Webb ha vislumbrado algo extraño: barrios enteros de 'jubilados' silenciosos.

En el Gran Colisionador de Hadrones, los protones chocan a casi la velocidad de la luz. A veces no se rompen, sino que intercambian fotones, las partículas de la luz. Estos fotones pueden crear un par: una partícula que el detector ve y otra que se escapa sin ser detectada.

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.

Los rayos cósmicos no son luz, sino partículas cargadas que bombardean la Tierra desde todas direcciones. La mayoría son protones (núcleos de hidrógeno), pero también hay núcleos más pesados: de helio, nitrógeno, hierro.

Los agujeros negros no son abismos silenciosos, sino diapasones naturales. Su rápida rotación, predicha por Roger Penrose, hace cantar al propio espacio-tiempo, generando una corriente de las partículas más ligeras: los axiones.

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 las profundidades de los Apeninos italianos, bajo toneladas de roca, hay un cristal que capta cada desintegración del americio radiactivo. El americio emite rayos gamma con una energía de 59,5 kiloelectronvoltios, como un timbre muy agudo que siempre suena igual.

En las transiciones nucleares del berilio-8, helio-4 y carbono-12, los físicos de la colaboración ATOMKI vienen observando desde 2020 eventos de más — como si en la desintegración de un núcleo excitado a veces naciera algo más, además de los fotones habituales. La energía de ese «algo» es siempre la misma: unos 17 millones de electronvoltios.

En la oscura cámara del detector, el argón espera. Cuando una partícula invisible lo atraviesa —por ejemplo, una candidata a materia oscura—, empuja ligeramente el núcleo de un átomo de argón. El núcleo se desprende de su lugar y a su alrededor se generan cargas. Cuántas cargas exactamente no es una pregunta trivial: por su número, los físicos deducen qué visitante ha pasado.

En su infancia, el universo era una mezcla caliente de partículas, como un plasma. Microsegundos después del Big Bang, al enfriarse, la temperatura fluctuaba ligeramente. Estas pulsaciones actuaron como empujones precisos en un columpio: estimulaban sincronizadamente el nacimiento de axiones, partículas candidatas a materia oscura.

Un resonador metálico, enfriado casi hasta el cero absoluto, escucha el ruido de radio del universo. Entre el caos de las fluctuaciones térmicas y la electrónica, podría aparecer un pico débil: el rastro de un axión, una partícula que quizás constituye la materia oscura.

La materia oscura es como un pegamento invisible que mantiene unidas a las galaxias. No emite luz, pero si sus partículas chocan, puede destellar radiación gamma.

Una olla en el fogón suena cuando el agua hierve. Una taza de cobre vacía también puede 'sonar' a frecuencias de radio si dentro de ella nace una partícula de materia oscura. Estas partículas se llaman axiones y, según una hipótesis, llenan toda la galaxia con una nube invisible.

El electrón es una partícula diminuta, pero dentro de un cristal se comporta como si tuviera otra masa. A esto se le llama masa efectiva. Para medirla, los físicos hacen que los electrones corran en círculos dentro de un campo magnético, como un patinador de velocidad en una pista de hielo al que no le permiten salirse de la órbita.

La materia oscura no brilla ni refleja la luz, pero su atracción mantiene a las galaxias unidas, impidiendo que se deshagan. De qué está compuesta es un misterio. Uno de los principales candidatos son los axiones, partículas ultraligeras.

Los rayos cósmicos son como una lluvia torrencial que golpea desde todas direcciones. Pero en cuanto sopla el viento, las gotas cambian de dirección. Así, una tormenta solar —una nube de gas magnetizado procedente del Sol— curva la trayectoria de estas partículas que, normalmente, se precipitan sobre la Tierra de manera uniforme.

En el laboratorio DESY se puso en marcha el experimento ALPS II para buscar axiones, unas hipotéticas partículas fantasma que podrían formar la materia oscura. Esta masa invisible actúa como un armazón que evita que las galaxias se dispersen debido a la rotación.

Las ráfagas rápidas de radio son brillantes destellos cósmicos que, como una señal de partida, inician una carrera de ondas de radio a través del Universo. Los astrónomos las usaron para comprobar si el fotón —la partícula de luz— tiene masa.

Hace un siglo, los observatorios magnéticos registraban solo la lenta respiración del núcleo terrestre. Hoy, sus datos se convierten en territorio de caza para la física de partículas. En el observatorio Eskdalemuir, al norte de Inglaterra, cada centésima de segundo se registran las oscilaciones del campo magnético.

En el fondo del criostato, bajo capas de bobinas superconductoras, yace una pila de cientos de capas semiconductoras. Cada capa tiene un grosor de varios nanómetros: arseniuro de galio, luego arseniuro de aluminio y galio. Los electrones dentro de estas capas están confinados en el plano, como hormigas sobre una hoja de papel.

El radiómetro ARCADE2, montado en un globo de gran altitud, detectó un exceso de emisión de radio, y el experimento terrestre EDGES, una depresión anómalamente profunda en el espectro del hidrógeno a 21 cm. Ambas señales no encajan en el modelo cosmológico estándar y apuntan a una fuente desconocida de fotones suaves.

De noche, sobre la taiga siberiana, a veces destella una débil luz azulada. No es una aurora boreal, sino una lluvia cósmica: una partícula llegada del espacio profundo choca contra la atmósfera y se desintegra en millones de partículas secundarias. Estas se precipitan hacia la Tierra en un frente amplio, como una ola que se expande al lanzar una piedra al agua, y hacen que el aire brille.

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.