detección de neutrinos con argón líquido

En lo profundo de la montaña, donde los muones de los rayos cósmicos quedan amortiguados por el espesor de la roca, hay un detector que no capta la luz, sino su ausencia. El positronio es un átomo diminuto en el que un electrón y su antipartícula, el positrón, giran uno alrededor del otro como una pareja de bailarines.

Una esfera de aluminio del tamaño de un globo terráqueo grande se sitúa en un haz de neutrones y responde a cada impacto con una nota precisa. Dentro de la esfera no hay nada más que nitrógeno y once pequeñas esferas de acero, cada una del tamaño de la cabeza de un alfiler.

Imagina una cinta transportadora por la que cada segundo pasan 30 millones de paquetes, y un controlador debe decidir al instante qué hay dentro: ¿carga valiosa o basura? En el Gran Colisionador de Hadrones, esa cinta es el disparador del experimento LHCb, que selecciona desintegraciones raras de partículas entre miles de millones de colisiones.

Un neutrón confinado en el núcleo se comporta de manera distinta a cuando está libre. Su nube de gluones, que mantiene unidos a los quarks, se comprime como un muelle bajo carga. Antes esto solo podía suponerse, pero ahora los físicos han observado el efecto directamente por primera vez.

El haz de antiprotones incide en la placa, y cada impacto se descompone en una ráfaga de partículas cargadas. En el experimento GBAR del CERN, esta escena no se observa con un detector complejo, sino con una cámara industrial común sin lente, pegada desde fuera a la ventana de vacío.

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.

Los flujos masivos de gas desde núcleos galácticos activos son un regulador clave de la evolución galáctica. Barren el medio interestelar, sofocan la formación estelar y dictan el crecimiento de los agujeros negros supermasivos.

Una piscina de agua purísima en la que, de vez en cuando, caen diminutas gotas casi invisibles. Cada una deja una ondulación apenas perceptible, y para registrarla se necesitan años de paciencia. Así es la caza de neutrinos solares en el detector DEAP-3600: un enorme tanque de argón líquido escondido en las profundidades de la Tierra.

La luz deja huella incluso cuando apenas existe. Un fotón individual, un diminuto paquete de energía, incide sobre una oblea de silicio y libera un puñado de electrones. El problema es que ese puñado es demasiado pequeño para ser detectado. Se necesita un amplificador.

En 1987, los astrónomos vieron el destello de una supernova en una galaxia vecina: la Gran Nube de Magallanes. Fue un regalo poco común: la explosión ocurrió lo bastante cerca como para captar no solo la luz, sino también los neutrinos (partículas casi imposibles de detectar que atraviesan la Tierra de lado a lado).

El espectro de una sustancia es su huella dactilar. Normalmente, para obtenerlo, se coloca la muestra en un campo magnético intenso, como en un tomógrafo. Pero hay una manera de prescindir por completo del imán: registrar la señal de los núcleos atómicos a campo cero.

Una partícula alfa es un núcleo de helio que sale despedido durante la desintegración de átomos pesados. Al entrar en un cristal de nitruro de galio, le transfiere su energía y genera un pulso eléctrico. Por la altura del pulso se puede saber cuánta energía tenía la partícula.

El láser golpea un blanco de alambres delgados y, en decenas de femtosegundos (milmillonésimas de milmillonésima de segundo), arranca de ellos un flujo de protones. Estos protones entran en un convertidor de litio y deuterio, donde nacen los neutrones.

El agua corriente en un vaso es transparente y tranquila. Pero si le añades diminutos puntos de carbono hechos con azúcar y ácido cítrico en un microondas normal, el agua empieza a brillar cuando una partícula cargada la atraviesa.

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.

Una diminuta partícula fantasma atraviesa un trozo de germanio. Normalmente no deja rastro, pero a veces, como una bola de billar, golpea el núcleo de un átomo. El núcleo rebota y ese empujón se puede detectar. En Oak Ridge, en el laboratorio nacional, el detector Ge-Mini estuvo captando esos rebotes durante dos años. Los neutrinos son las partículas conocidas más escurridizas.

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.

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 una cámara oscura, donde la temperatura está solo cuatro grados por encima del cero absoluto, reposa un cristal de zafiro del tamaño de un grano de arroz. Cuando un neutrino —una partícula fantasma que apenas interactúa con la materia— lo atraviesa, el cristal se estremece y se calienta una fracción insignificante de grado.

El gas de una galaxia brilla como un letrero de neón, y por el color de ese brillo los astrónomos deducen lo caliente que está. La lógica es simple: cuanto más elementos pesados (los astrónomos los llaman metales) hay en el gas, mejor se enfría. Así que en las galaxias ricas en metales la temperatura debería ser más baja.

En el espesor del hielo antártico, a una profundidad donde no llega la luz del sol, cuelgan antenas. No escuchan sonidos, sino ondas de radio, y esperan la señal de una partícula que es casi imposible de atrapar. El neutrino atraviesa la Tierra como una bala atraviesa la niebla, pero a veces, muy raramente, roza un átomo de hielo.

En un taller caliente de metal fundido, cualquier trozo de hielo se evaporaría al instante. Pero escondido en un guante grueso, permanecería intacto. Un truco similar ha hecho la naturaleza en la nebulosa planetaria NGC 6302.

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.

El nitruro de boro hexagonal es un cristal delgado, pariente del grafito, pero transparente y dieléctrico. En su red cristalina a veces aparecen defectos puntuales: falta un átomo de boro o de nitrógeno, y en su lugar se forma una trampa para electrones. Esa trampa puede absorber luz y reemitirla, como una diminuta linterna.

En una habitación oscura, un cazador espera un susurro apenas audible. Así, los físicos llevan años escuchando las señales de las partículas de materia oscura, esa sustancia invisible que mantiene unidas las galaxias pero no brilla. El nuevo detector agudiza este 'oído' cien mil veces. Dentro del aparato hay gas SF₆ (el mismo que apaga chispas en las redes eléctricas).

El detector MicroBooNE es un gran tanque de argón líquido que atrapa partículas que lo atraviesan. Cuando una partícula pasa, deja un rastro de carga y un destello de luz. Estos rastros se combinan en una imagen tridimensional del evento, como si la partícula dibujara su camino en un cubo transparente.

En el centro de la galaxia NGC 4278 hay un agujero negro que expulsa dos chorros de plasma, como un cañón gigante que dispara partículas al espacio. Estos chorros aceleran partículas hasta energías que ningún acelerador terrestre podría soñar.

En una sala subterránea de Fermilab se encuentra un enorme tanque de argón líquido, un líquido transparente a una temperatura de menos 186 grados. Cuando una partícula invisible, el neutrino, entra en el tanque, a veces choca con un núcleo de argón y se produce un breve rastro de partículas cargadas.

Un cuásar es un agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia que devora materia y brilla más que todas las estrellas a su alrededor. Parte de la energía se convierte en emisión de radio, y se pensaba que esta podía calentar o expulsar el gas frío, la materia prima para nuevas estrellas.

Un pulso láser corto golpea el aire y en el punto de impacto se enciende un diminuto relámpago. Vive más de lo que parece: el brillo intenso se ve durante medio milisegundo, y el débil, casi veinte milisegundos.

En un tanque de agua pura, las partículas que viajan más rápido que la luz en ese medio dejan destellos azulados, como un avión que rompe la barrera del sonido genera un trueno. Con esos destellos se puede saber qué visitante ha pasado: un cuanto gamma o un neutrón. La tarea no es trivial: en fronteras y almacenes hay que distinguir rápidamente una carga radiactiva inofensiva de un material apto para armas.

En una mina a dos kilómetros de profundidad, bajo la roca canadiense, hay un barril con tres toneladas de argón líquido. El argón está enfriado a menos ciento ochenta y seis grados y es transparente como el agua.

Los electrones en un metal son como una multitud en el metro: cada uno va por su cuenta, pero ante el menor empujón todos se mueven a la vez. Los físicos llaman plasmón a esa oscilación colectiva del gas electrónico. En los superconductores, estas oscilaciones son especialmente importantes porque revelan cómo interactúan los electrones entre sí.

En las frías y tenues nubes del espacio, las partículas se encuentran raramente, pero a veces un ion y una molécula neutra pasan lo bastante cerca como para unirse. Al hacerlo, emiten luz, como un destello apagado que se lleva el exceso de energía. Este proceso se llama asociación radiativa y es responsable de la formación de muchas moléculas en el espacio interestelar.

La materia oscura es una sustancia invisible que mantiene unidas a las galaxias, pero no emite luz. Atrapar sus partículas es como escuchar un susurro en una sala ruidosa. Los detectores comunes solo oyen los golpes fuertes, mientras que las señales débiles se ahogan entre el ruido.

En las oscuras y frías nubes del espacio donde nacen las estrellas, los granos de polvo se cubren con una fina capa de hielo. Ese hielo no es solo agua congelada, sino una mezcla de distintas moléculas: monóxido de carbono, dióxido de carbono, nitrógeno y otras.

En el centro de casi toda galaxia grande se encuentra un agujero negro supermasivo. Atrae gas y polvo, y a su alrededor se forma un disco brillante. Pero el telescopio James Webb ha mirado más lejos, a una región donde la luz del agujero negro es más débil y, aun así, el polvo brilla. Los astrónomos examinaron ocho galaxias.

El agua pesada —esa en la que, en lugar del hidrógeno común, está su pariente más voluminoso, el deuterio— se sometió a una corriente eléctrica. En el cátodo se depositaba paladio, y en este modesto baño electroquímico los detectores notaron una y otra vez algo inesperado: rastros de neutrones lentos. Los detectores eran de dos clases.

En una habitación oscura hay un tanque con argón líquido. A veces, una partícula invisible lo atraviesa, choca con el núcleo de un átomo y en el líquido se enciende una luz débil. Con ese destello, los físicos intentan averiguar qué visitante ha llegado.