neutrino

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.

En un laboratorio subterráneo de Dakota del Sur hay un tanque lleno de xenón líquido. Capta sucesos raros: las partículas atraviesan la Tierra, chocan contra los núcleos de xenón y estos rebotan como bolas de billar tras un golpe.

Un intérprete llega a una reunión donde se habla un idioma que no conoce. Al principio tiene que escuchar cada palabra, anotarla literalmente y luego contrastarla con el original. Así funcionan los simuladores del telescopio de neutrinos IceCube: rastrean cada fotón que nace en el hielo antártico, recorre cientos de metros y golpea un sensor.

El cielo nocturno en luz de neutrinos se asemeja a un lienzo en el que trabajan dos manos. Una sostiene un pincel ancho y suave: son los restos de supernova, las envolturas que quedan tras las explosiones estelares. La otra aprieta una pluma fina y dura: los microcuásares, sistemas binarios donde un agujero negro enrolla materia en chorros estrechos.

El neutrón es una partícula que normalmente reside en el núcleo atómico y no desaparece. Pero algunas teorías sugieren que, en ocasiones, podría transformarse en su gemelo invisible: una partícula imposible de detectar con los detectores convencionales.

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.

Los neutrinos son partículas diminutas que, cada segundo, atraviesan nuestros cuerpos por miles de millones sin tocar ni un solo átomo. Tienen una propiedad misteriosa: en su camino desde el Sol o un acelerador, pueden cambiar de tipo, o "sabor", por ejemplo, de neutrino electrónico a neutrino muónico.

La sal de mesa común parece inerte, pero dentro de su red cristalina pueden ocurrir eventos invisibles al ojo. Si en el cristal hay átomos de rubidio-87, de vez en cuando sufren una desintegración beta, un tipo de transformación radiactiva en la que un neutrón del núcleo se convierte en protón, emitiendo un electrón y un antineutrino.

En un vertedero a las afueras de la ciudad, el viento cambia de dirección y, un par de horas después, en el pueblo más cercano huele a huevos podridos. Así huele el sulfuro de hidrógeno, un gas que se libera cuando los residuos se descomponen y que en dosis altas es peligroso para la salud.

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.

El cielo nocturno parece tranquilo, pero en realidad partículas invisibles —los rayos cósmicos— nos atraviesan constantemente. Entre ellos hay electrones y sus antipartículas, los positrones. Cuando chocan con detectores en satélites o globos aerostáticos, los instrumentos registran su energía.

En la fría nube de Tauro, donde nacen estrellas, los telescopios detectaron moléculas con olor a almendras amargas: nitrilos aromáticos. En la Tierra se encuentran en los huesos de melocotón, pero en el espacio flotan en el polvo helado. ¿Qué les sucede bajo la intensa radiación ultravioleta de las estrellas jóvenes?

Una enana blanca es el antiguo núcleo de una estrella como el Sol, comprimido hasta el tamaño de la Tierra. Una cucharadita de su materia pesaría varias toneladas. Una estrella de neutrones es un resto aún más denso: una ciudad del tamaño de Manhattan, pero con una masa mayor que la del Sol.

El universo nos envía señales constantemente, pero muchas son demasiado débiles para percibirlas. Los neutrinos reliquia —partículas que quedaron del Big Bang— atraviesan la Tierra por miles de millones cada segundo, pero atrapar al menos uno es una hazaña al borde de lo posible.

Un «calibrador» cósmico pronto medirá una estrella de neutrones con una precisión de cien metros. Para un objeto de un par de decenas de kilómetros de diámetro, es como medir el grosor de un cabello humano desde un kilómetro de distancia. Una estrella de neutrones es el remanente de una supernova que explotó.

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.

En el centro de una estrella moribunda, cuando su núcleo se comprime en una esfera de neutrones, nace una tormenta invisible. Billones de neutrinos —partículas que casi no interactúan con la materia— se agitan en el plasma ardiente.

En 1976, los físicos predijeron que un electrón no solo puede pasar de largo junto al núcleo, sino que puede chocar contra él y transferirle energía, haciendo que el núcleo «se estremezca». El efecto se llamó NEEC — excitación nuclear por captura electrónica. Pero durante casi cincuenta años no se ha podido observar en un experimento.

En la lejana galaxia del Cigarro hay un faro insólito. No brilla en el sentido habitual: sus rayos nacen en una nube ardiente alrededor de un agujero negro que devora la materia de una estrella compañera. Estos objetos se denominan fuentes ultraluminosas de rayos X. Su fulgor en rayos X es tan intenso que eclipsa a galaxias enteras.

En los centros de muchas galaxias se ocultan enormes agujeros negros. Los rodea una densa nube de plasma ardiente que emite un brillo intenso de rayos X.

En las profundidades del hielo del Polo Sur, a casi dos kilómetros y medio de profundidad, funciona un telescopio poco común. No apunta al cielo, sino a través de la Tierra. Su objetivo son los neutrinos, partículas casi imposibles de detectar que atraviesan planetas y estrellas de lado a lado sin interactuar con nada.

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.

Una estrella masiva agota su combustible y su núcleo colapsa en fracciones de segundo. Nace una supernova y, con ella, una lluvia breve pero intensa de neutrinos. Estas partículas apenas interactúan con la materia, por lo que escapan libremente llevando información sobre la catástrofe.

A 123 pársecs de la Tierra, en la constelación de la Corona Austral, navega la estrella de neutrones RX J1856.5-3754. Su diámetro es de unos 12 kilómetros, menor que una carretera de circunvalación urbana, pero la temperatura de su superficie alcanza los 460 000 kelvin. La estrella emite una exhalación lenta, casi inaudible.

En el sur de la India, en la ciudad de Madurai, entre 2018 y 2022 estuvo un peculiar "cazador" de partículas cósmicas: el prototipo mini-ICAL, de 85 toneladas. Es una versión 600 veces más pequeña del futuro detector de neutrinos (esquivas partículas fantasma) que se construirá en las profundidades de la Tierra.

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.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo era una sopa caliente de partículas. Entre ellas flotaban neutrinos superpesados, miles de veces más masivos que sus ligeros hermanos que nos atraviesan hoy. Sus masas eran casi iguales, como tres gemelos, no como transeúntes al azar.

Una bola de billar choca contra otra en la más absoluta oscuridad. El sonido del impacto y el golpe de las bolas al caer en la tronera es todo lo que se oye. Así, más o menos, estudian los físicos las interacciones entre partículas elementales a energías que ningún acelerador terrestre puede reproducir.

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.

Tres pluviómetros están repartidos por una gran ciudad. Dos de ellos han registrado lluvias raras pero muy intensas, y el tercero, el más sensible, ha permanecido seco. Así se presenta más o menos el enigma que han planteado los detectores de neutrinos, esas partículas casi esquivas que llegan desde las profundidades del cosmos.

Una enorme piscina de líquido transparente se esconde en las profundidades de la Tierra. No contiene nada más que un 'caldo' purísimo que emite un débil destello cuando una partícula invisible lo atraviesa. Este es el detector JUNO, 20 000 toneladas de centelleador líquido, construido para la caza de neutrinos.

Una estrella de neutrones es el núcleo que fue de una estrella masiva, comprimido hasta el tamaño de una ciudad. Una cucharadita de su materia pesa como una montaña. Pero dentro de esta esfera ultradensa puede esconderse una sorpresa: bajo una presión inimaginable, los neutrones se descomponen en quarks y la estrella adquiere un núcleo nuevo, más compacto.

Una estrella de neutrones es una ciudad del tamaño de Manhattan que pesa como medio millón de Tierras. Una cucharadita de su materia pesaría más que el Everest. Y ahora, a esta esfera superdensa se le ha añadido algo invisible e inaprensible: partículas de materia oscura. Esto es exactamente lo que hicieron los físicos en una nueva investigación.

Una cucharadita colmada, y la báscula marca mil millones de toneladas. Eso pesaría aproximadamente la materia de una estrella de neutrones si pudiéramos sacarla y pesarla. Estos objetos nacen tras la explosión de una supernova: el núcleo de la estrella se comprime hasta formar una esfera del tamaño de una ciudad, y la densidad supera a la del núcleo atómico.

En 2017, los detectores LIGO y Virgo registraron un temblor del espacio-tiempo provocado por la colisión de dos estrellas de neutrones — el evento GW170817. Tras el primer estallido llegó una resonancia posterior: oscilaciones de kilohercios del recién nacido remanente superdenso.

La materia oscura sigue siendo el fondo de bajo inaudible de la sinfonía cósmica: no emite luz, pero su atracción gravitacional da forma a las galaxias. Vera Rubin fue la primera en detectar este ritmo en los años 70, al observar la rotación de las estrellas.

Cuando una estrella gigante colapsa en una supernova o dos bolas de neutrones se fusionan en una danza cósmica, billones de neutrinos se llevan la energía del cataclismo.

Las estrellas de neutrones son los últimos grumos de materia visible antes de caer en un agujero negro. En sus entrañas, la materia se comprime hasta densidades de billones de veces. Aquí, las fuerzas nucleares y la gravedad se entrelazan en una sustancia exótica, inaccesible para cualquier acelerador terrestre.