difracción de neutrones

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.

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.

El antiprotón es la imagen especular del protón: tiene la misma masa, pero carga negativa. Al entrar en contacto con la materia, normalmente se aniquila al instante: desaparece liberando energía al chocar con el núcleo de un átomo.

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 la terapia de captura de neutrones por boro, se administra boro-10 al paciente, que se acumula selectivamente en el tumor. Luego se irradia el tumor con neutrones. Cuando un neutrón incide en el núcleo de boro, provoca su desintegración en helio y litio; la energía liberada destruye la célula cancerosa.

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.

Un microscopio ordinario es inútil cuando se trata de observar un virus individual con todo detalle. Es demasiado pequeño. Pero existe una herramienta que emite destellos miles de millones de veces más brillantes que la luz solar: el láser de rayos X de electrones libres.

En las profundidades del océano, donde no llega la luz, nace un plan para capturar partículas que casi no interactúan con nada. Los geoneutrinos, pequeños mensajeros del manto ardiente, surgen de la desintegración del uranio y del torio. Su flujo transporta información sobre cuánto calor se esconde bajo nuestros pies.

Las estrellas de neutrones son restos superdensos de estrellas, donde la materia está comprimida al límite descrito por Subrahmanyan Chandrasekhar. Los magnetares son una variedad con un campo magnético un cuatrillón de veces más fuerte que el terrestre.

Un detector lleno de helio-4 superfluido se asemeja a un lago perfectamente tranquilo. El líquido no chapotea ni burbujea: permanece inmóvil en un único estado cuántico. A través de él atraviesa un visitante invisible: una partícula de materia oscura. Ella misma no brilla ni deja rastro.

Un carrusel de luz no hace girar a personas, sino a electrones. En lugar de caballitos de madera, hay aspas invisibles hechas de luz. Ese es el «carrusel» que han construido los físicos para dar rotación a los electrones. Normalmente, para enrollar un haz de electrones en un vórtice se necesita una máscara diminuta: una plantilla con ranuras tallada a escala atómica.

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.

En el cristal de Rb1-xV2Te2O, los espines de los átomos de vanadio se ordenan en un patrón de tablero de ajedrez: cada espín está rodeado por espines opuestos. Este patrón se denomina antiferromagnetismo de tipo G.

Un cristal sin centro de simetría es como una habitación donde una pared es espejo y la otra es mate: el reflejo no coincide con el original. Estos materiales suelen comportarse de manera extraña porque los electrones perciben la distorsión de la red.

El neutrón es una partícula sin carga eléctrica, y atraparlo es difícil: atraviesa los instrumentos como una bala a través de la niebla. En los experimentos habituales solo tiene una pasada a través del cristal, y todas las mediciones se concentran en ese instante. La nueva idea es hacer que el neutrón circule dentro de una trampa, como una pelota entre dos paredes.

En la superficie de una fina película de óxido de bismuto-hierro se ven franjas regulares, como surcos en un campo arado. Lo que ocurre debajo ha sido hasta ahora un misterio.

El núcleo atómico no es solo una bolita de protones y neutrones. En su interior, como en un diminuto imán, hay una distribución propia de magnetización. Hasta ahora era difícil de observar: los núcleos viven fracciones de segundo insignificantes y su campo magnético es débil.

En los sólidos, los átomos vibran transmitiendo el sonido. A veces, esta onda no viaja en línea recta, sino que se enrolla en espiral, como un sacacorchos entrando en un corcho. En cristales comunes, estos 'vórtices sonoros' se conocen, pero en materiales magnéticos no se habían podido observar durante mucho tiempo.

El neutrón, una partícula dentro del núcleo atómico, puede vivir en dos mundos: el nuestro y el especular. En el mundo espejo existe su gemelo, invisible para nuestros instrumentos. Si un neutrón ordinario saltara a veces al mundo espejo y volviera, una parte de los neutrones en una trampa se disolvería como en el aire.

Una cámara que no capta luz, sino un flujo de electrones reflejados por un cristal, es un detector híbrido de píxeles. Es capaz de contar cada electrón que incide en él, casi sin generar ruido propio. En modo normal, cuando el haz de electrones fluye de forma continua, el detector funciona perfectamente.

Si lanzas una piedra a un estanque, se forman ondas en el agua. En un material magnético también hay ondas, pero lo que oscila no son moléculas de agua, sino las direcciones de las flechas magnéticas de los átomos. Estas ondas se denominan magnones, y su comportamiento permite comprender mucho sobre las fuerzas invisibles entre los átomos.

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 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.

El microscopio electrónico escanea la muestra y en cada punto registra cómo se dispersan los electrones en los átomos. El resultado es una pila gigante de imágenes, una por cada punto. En ellas está codificada la información sobre cómo se ordenan los átomos: en filas regulares o con desviación, hacia dónde está girada la red cristalina, si hay tensiones internas.

Un trozo de plástico denso del tamaño de una moneda destella cuando una partícula invisible lo atraviesa. Así funcionan los centelleadores: materiales que convierten la radiación en luz débil. Por lo general, se fabrican con cristales frágiles o polímeros caros.

Cuando se enfría a -272°C, el cristal Fe₄Nb₂O₉ se convierte en un patrón magnético donde las agujas atómicas no se alinean en una sola fila, sino que se abren en abanico. Es como si una multitud se quedara inmóvil, pero cada persona mirara en una dirección distinta, en lugar de mirar la nuca del vecino.

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.

El campo magnético es invisible, pero se puede hacer que 'brille'. Para ello se toma un diminuto diamante con defectos: lugares donde un átomo de carbono es reemplazado por nitrógeno y, junto a él, falta un nodo de la red.

Los neutrinos son las partículas conocidas más esquivas. Cada segundo, billones de neutrinos del Sol atraviesan tu cuerpo sin que lo notes: apenas interactúan con la materia. Para atrapar al menos uno, los físicos construyen detectores gigantescos: piscinas de agua o argón líquido en las profundidades de la Tierra.

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.

En un enorme espectrómetro en Karlsruhe, parecido a un gigantesco barril metálico, se capturan partículas que casi no se dejan atrapar. Los neutrinos son los fantasmas del micromundo: cada segundo, billones de estas partículas atraviesan tu cuerpo sin que lo notes. Pero tienen masa, y los científicos quieren medirla.

Una esfera de silicio de 166 nanómetros de diámetro flota en el haz de un láser infrarrojo. La presión es inferior a 10⁻⁸ mbar, y la temperatura de movimiento ronda los 10 milikelvin. Esto es más frío que la radiación cósmica de fondo.