decaimiento del neutrino

Una estrella de neutrones es lo que queda después de la explosión de una estrella masiva. Su materia está tan comprimida que una cucharadita pesaría miles de millones de toneladas. En tales condiciones, los protones y neutrones pueden reorganizarse y aparecen nuevas partículas: los hiperones, similares a los neutrones pero que contienen un quark 'extraño'.

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.

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 los primeros instantes después del Big Bang, el universo experimentó una expansión vertiginosa: la inflación. El espacio se estiró más rápido que la luz, y las fluctuaciones cuánticas del vacío se convirtieron en partículas reales.

Una piedra lanzada al agua se expande en círculos. Una onda gravitacional es una ondulación similar, pero en el espacio-tiempo. La produce, por ejemplo, la fusión de dos agujeros negros. En la física clásica, esta ondulación es eterna: una vez creada, viaja por el universo sin atenuarse.

A los tres minutos del Big Bang, el universo tocaba su primera sinfonía. Era la Big Bang nucleosíntesis — la formación de núcleos ligeros, donde cada elemento sonaba con su nota, y el ritmo lo marcaba la expansión del espacio.

En una habitación silenciosa se puede oír hasta el susurro más débil. Así, en el átomo de hidrógeno, el más ligero de todos, es más fácil notar a un invitado no deseado. Ese invitado podría ser el bosón Z', una partícula mediadora de una nueva fuerza que predicen muchas teorías de unificación. El modelo estándar ya tiene su propio mediador: el bosón Z.

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 2021, el observatorio LHAASO registró fotones gamma con energías superiores al petaelectronvoltio procedentes de fuentes como la Nebulosa del Cangrejo, el remanente de una explosión de supernova en cuyo centro late una estrella de neutrones.

Cuando un electrón y su antipartícula —el positrón, predicho por Dirac— se encuentran, forman fugazmente un positronio: un minúsculo par que orbita uno alrededor del otro, como en un átomo pero sin núcleo. Casi de inmediato se desintegra, emitiendo dos fotones que quedan misteriosamente vinculados.

Una cucharadita de materia de una estrella de neutrones pesa como una montaña. Pero esta montaña podría tener un gemelo invisible. En el interior de una estrella de neutrones, la materia ordinaria está comprimida a densidades inimaginables. Allí, los protones y neutrones pueden disolverse en una sopa de quarks.

En física nuclear reinó durante mucho tiempo la convicción de que dos neutrones no pueden formar un estado ligado: se atraen demasiado débilmente y se dispersan de inmediato. Sin embargo, en la superficie de los núcleos ricos en neutrones, donde la densidad de la materia cae a milésimas de la nuclear normal, la situación cambia radicalmente.

El Universo es un cocinero genial, y el Big Bang es su receta perfecta. El hidrógeno subió esponjoso, el helio se fundió suave, pero el litio-7 parecía demasiado salado: la teoría predice tres veces más del que los astrónomos encuentran en las estrellas más antiguas.

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.

Un resorte comprimido permanece inmóvil durante años. Parece congelado para siempre, pero dentro del metal los átomos se reordenan lentamente, y un día el resorte hace clic, pasando a una nueva posición más relajada.

Dos estrellas de neutrones —restos de astros muertos, comprimidos hasta el tamaño de una ciudad pero con el peso de todo un Sol— giran una alrededor de la otra y finalmente colisionan. En ese instante nace algo intermedio entre un agujero negro y un imán ultrapotente: un campo miles de millones de veces más fuerte que el del más potente escáner de resonancia magnética.

Ya en la década de 1930, Fritz Zwicky notó que las velocidades de las galaxias en cúmulos eran demasiado altas para la masa visible. Más tarde, Vera Rubin confirmó esto para galaxias individuales.

En los primeros instantes después del Big Bang, el Universo era una sopa hirviente de partículas elementales. Incluso los ligeros neutrinos chocaban entonces activamente con todo lo que había.

Si aprietas un puñado de arena en la mano, primero se compacta, pero luego comienza a resistirse: los granos ya no tienen dónde ir. En el interior de una estrella de neutrones ocurre algo parecido, solo que en lugar de granos de arena hay partículas elementales, y en lugar de la mano, una gravedad monstruosa.

El núcleo atómico se parece a una gota con una membrana delgada: la 'piel' de neutrones. Dentro de la gota, protones y neutrones están mezclados uniformemente, pero en el exterior, como la nata en la leche, se acumula una capa donde hay notablemente más neutrones.

En los primeros minutos del Big Bang, el Universo preparó un cóctel de hidrógeno, helio y una pizca de litio.

Una estrella de neutrones es el núcleo muerto de una estrella que alguna vez explotó, comprimido hasta el tamaño de una ciudad. Si cerca hay una estrella normal, la estrella de neutrones le succiona materia como una aspiradora. Esa materia cae sobre la superficie y forma una corteza: una capa sólida de núcleos atómicos ricos en neutrones.

Una estrella de neutrones es el remanente de una estrella que ha explotado, comprimido hasta el tamaño de una ciudad. En su núcleo, la materia está tan densamente empaquetada que una cucharadita de ese material pesaría como una montaña. A esa densidad, según predice la teoría de las interacciones fuertes, las partículas adquieren 'gemelas': compañeras de paridad.

Cada vez que el deuterio y el tritio se fusionan en un reactor de fusión, sale un neutrón rápido. Puede transformar unas sustancias en otras, por ejemplo, crear isótopos valiosos para la medicina. Hoy en día, esos neutrones cuestan una fortuna, porque hay pocas instalaciones experimentales y funcionan con poca frecuencia.

En el Gran Colisionador de Hadrones no solo chocan protones, sino también núcleos atómicos completos. Cuando dos núcleos chocan a gran velocidad, se genera un diminuto volumen de materia sobrecalentada, tan caliente que los protones y neutrones se funden y se convierten en una 'sopa' de quarks y gluones.

El Universo se expande cada vez más rápido, como masa de levadura en la cocina. A esta expansión la ayuda la energía oscura, el azúcar cósmico. Desde que a finales de los 90 astrónomos como Adam Riess notaron la aceleración, se buscó la causa.

En los años treinta, Pauli comprendió: sin unas diminutas partículas fantasmales, la energía de las estrellas no cuadraba. Así nacieron los neutrinos, viajeros intangibles que lo atraviesan todo.