doble desintegración beta sin neutrinos

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 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.

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.

Las baterías atómicas que funcionan con la desintegración del plutonio llevan más de sesenta años alimentando marcapasos y sondas espaciales. Pero hay poco material para ellas: en todo el mundo solo se producen unos pocos kilogramos de plutonio-238 al año, y apenas alcanza para las misiones más importantes.

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.

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.

Un reloj de arena en el que los granos se transformaran en otros mientras caen: así son los núcleos atómicos inestables. Viven un instante y se desintegran, expulsando un electrón (esto es la desintegración beta).

En 1946, propuso un método que revolucionó la arqueología: determinar la edad mediante la desintegración del radiocarbono. El reloj avanza: cada 5730 años, la mitad de los átomos desaparece. Pero, ¿por qué tan lentamente? Para un núcleo ligero, esto es una anomalía: las vidas típicas son millones de veces más cortas. El misterio se mantuvo durante siete décadas.

En los primeros segundos tras el Big Bang, el Universo nos dejó no solo luz, sino algo mucho más esquivo: el fondo cósmico de neutrinos. Este eco de la creación impregna cada centímetro cúbico, pero apenas lo notamos.

Cuando una estrella masiva agota su combustible, su núcleo colapsa, generando una supernova y emitiendo una lluvia omnipresente de neutrinos.

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.

La colisión de dos estrellas de neutrones es un laboratorio cósmico donde la materia se comprime hasta densidades inimaginables. En los primeros instantes tras la fusión, se forma una nube ardiente que se enfría emitiendo neutrinos. Estas partículas invisibles se llevan la energía y dictan cuánta materia será expulsada al espacio y qué elementos pesados se sintetizan.

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.

En lo profundo de la tierra, en Japón, se encuentra un enorme depósito de agua ultrapura. Espera a unos visitantes muy especiales: neutrinos que llegan de explosiones de estrellas lejanas. Estos visitantes son extremadamente raros: a lo largo de los años de observación, el detector Super-Kamiokande registra solo unos pocos eventos.

Un intérprete escucha un ruido de fondo que dura años, intentando captar una única palabra. Ese es el desafío que enfrentan los físicos que cazan la doble desintegración beta sin neutrinos neutrino. Este proceso hipotético es como un núcleo atómico que emite dos electrones, pero "olvida" liberar un par de neutrinos.

En los primeros instantes tras el Big Bang, la materia y la antimateria deberían haber nacido en igual cantidad. Pero hoy solo vemos materia: estrellas, planetas, nosotros mismos. ¿Dónde quedó la antimateria? Una de las pistas se esconde en partículas casi imperceptibles: los neutrinos diestros.

Un enorme depósito de agua ultrapura está escondido en las profundidades de Japón. Sus paredes están cubiertas de miles de lámparas sensibles a la luz que captan débiles destellos: las huellas de partículas fantasma que atraviesan la columna de agua. Este detector, Super-Kamiokande, ha estado observando el cielo durante mucho tiempo en busca del eco de neutrinos de antiguas explosiones estelares.

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.

Un intérprete que, a mitad de camino por la sala, de repente empieza a transmitir el mensaje al revés. Algo así podría hacer un neutrino —esa partícula fantasma que apenas interactúa con la materia— si en su camino se encuentra con una nube de materia oscura ultraligera.

Dentro de cada átomo vive un protón. Durante mucho tiempo se lo consideró eterno, como la propia materia. Pero las teorías que unifican todas las fuerzas de la naturaleza predicen que, tarde o temprano, el protón se desintegrará. La pregunta es cuánto tiempo hay que esperar.

En el núcleo de un átomo de carbono, las partículas ocupan sus "apartamentos" — como inquilinos que no pueden compartir la misma habitación. Esta regla de la física se llama principio de exclusión de Pauli: dos habitantes idénticos del núcleo no pueden encontrarse en el mismo estado. Pero, ¿y si la regla a veces se viola?

Los neutrinos son partículas diminutas que atraviesan el planeta como la luz atraviesa el cristal de una ventana. Cada segundo, miles de millones de estas partículas pasan a través de la uña de tu meñique, pero atrapar aunque sea una no es tarea fácil. Para ello, en Canadá se excavó una mina de dos kilómetros de profundidad y se instaló allí el detector SNO+.

Chocar dos núcleos de plomo en el Gran Colisionador de Hadrones es como lanzarse mutuamente dos bolsas pesadas llenas de canicas. Normalmente las canicas salen disparadas en todas direcciones, pero a veces una bolsa pasa tan cerca que las canicas no chocan, solo se cruzan miradas.

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.

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.

El leptón tau es un pariente pesado del electrón que vive menos de una billonésima de segundo. Normalmente se desintegra en partículas más ligeras, pero nunca directamente en tres muones: esa transición está prohibida por las leyes conocidas de la física de partículas. Si ocurriera, significaría que en la naturaleza actúan fuerzas desconocidas.

En el núcleo atómico, los protones y los neutrones se acomodan en capas, como el público en una sala abarrotada. Cuando una capa se llena, el núcleo se vuelve especialmente estable: los físicos llaman a estas "filas completas" números mágicos.

El núcleo atómico normalmente sigue sus propias leyes: su desintegración no depende de la temperatura, la presión ni los vecinos en la molécula. Pero el isótopo uranio-235m tiene una excepción sorprendente.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo era un caldo caliente de partículas. Entre ellas podía haber neutrinos, partículas muy ligeras y casi imperceptibles. Algunos de ellos quizá eran «estériles»: apenas se relacionan con el resto de la materia, como un invitado silencioso en una fiesta ruidosa.

Una bala que no atraviesa un solo blanco, sino que deja su huella en varias capas de blindaje. Así se comporta aproximadamente la materia oscura superpesada que se ha buscado por primera vez en el detector DarkSide-50.

Dentro del acelerador, las partículas chocan y, por un instante fugaz, nace un mesón B: una partícula pesada que vive menos de una milmillonésima de segundo. Normalmente se desintegra en muchos fragmentos, pero a veces se convierte en solo dos partículas: un muón y un neutrino. Este raro camino se parece a una lotería donde el boleto ganador sale una vez cada dos millones de sorteos.

En los primeros minutos después del Big Bang, el Universo se parecía a una cocina ardiente. Sobre ella, según la «receta» del modelo estándar, debían cocinarse hidrógeno, helio y un poco de litio. Pero los telescopios ven tres veces menos litio del que dicta esa receta.

Una piedrecita cae en un estanque y las ondas se expanden por el agua. Pero a veces la piedrecita no se hunde de inmediato: se desliza bajo la superficie, recorre varios metros y solo entonces emerge, generando ondas en un lugar inesperado.

La materia visible es una gota en el mar del caldo cósmico. La base del Universo es la invisible materia oscura, cuya gravedad impide que las galaxias se dispersen. El mejor candidato para este papel son los neutrinos estériles, partículas fantasma conectadas con nosotros solo por un puente sutilísimo.

Los átomos ultrafríos pueden comportarse como un todo. Si en una nube así nace un нейтрино, normalmente se escapa sin ser notado.

Momento dipolar medido del tantalio-181: 3,39 × 10⁻³² e·cm — como notar un desplazamiento de un átomo a la escala del Sistema Solar. Un núcleo atómico normal está perfectamente equilibrado, como un trompo giratorio.

Un electrón sale del núcleo de tritio con una energía de 18,57 keV, dejando tras de sí un compañero invisible: el neutrino. Si ese neutrino tiene acceso a una quinta dimensión, su masa se descompone en toda una torre de estados, y cada uno de ellos arranca un pedazo del espectro.