dispersión de neutrones

Un reactor de fusión es como un horno sobrecalentado donde el plasma alcanza millones de grados. Las paredes de ese horno se hacen de tungsteno: es el metal más refractario que existe. Pero ni el tungsteno aguanta sin protección: las partículas rápidas del plasma bombardean la superficie y arrancan átomos.

Unas balanzas ultraprecisas intentan captar la diferencia entre dos granos de arena casi idénticos. Uno de ellos es el reflejo perfecto del otro, como en un espejo. En el mundo de las partículas elementales, ese reflejo especular se denomina paridad P, y su violación es uno de los mayores enigmas de la física.

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.

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.

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

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 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.

El cristal La3Ni2O7 se asemeja a un pastel en capas, donde el relleno de átomos de níquel y oxígeno se alterna con capas de lantano.

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.

Cuando la materia se calienta a millones de grados, se convierte en plasma: una mezcla de electrones libres e iones, similar a una sopa hirviendo de partículas cargadas. No se puede mirar dentro de esa «sopa» con un termómetro común, pero se puede iluminar con rayos X.

Cuando un haz de iones de carbono entra en el cuerpo, no libera su energía de inmediato, sino al final de su recorrido, como un corredor que se esfuerza al máximo en la recta final. Los médicos necesitan conocer el punto exacto de esa meta para no dañar tejidos sanos. Pero, ¿cómo mirar dentro del cuerpo sin hacer una incisión?

Una red neuronal entrenada con colisiones de protones y electrones transfirió sus habilidades a un experimento completamente diferente: la captura de neutrinos. Como un cocinero que aprendió a preparar cocina francesa y luego, sin preparación, hornea un excelente plov uzbeko.

En lo profundo de los Apeninos, en un tanque con tres toneladas de xenón líquido, algo tiembla imperceptiblemente cada pocos días.

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.

Muy por debajo de nuestros pies, en el espesor del planeta, tiene lugar una lenta desintegración de elementos radiactivos. En ese proceso nacen partículas diminutas: los geoneutrinos. Atraviesan la corteza terrestre, el manto y el núcleo casi sin interactuar con nada.

Un reactor nuclear convencional se parece a una caldera donde el combustible arde de manera uniforme en todo el volumen. Aquí el panorama es otro: por una barra cilíndrica de carburo de uranio avanza lentamente una onda de fisión: una zona estrecha donde los átomos se dividen y liberan calor.

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.

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 los experimentos de dispersión de partículas, el blanco a menudo se polariza: los núcleos se alinean de modo que sus espines apunten predominantemente en una dirección. El grado de esta alineación determina el resultado de las colisiones. Para medirla, se envía una señal de radio débil a través del blanco y se observa cómo los núcleos la absorben.

Un agente de aduanas no puede desmontar una maleta para saber qué hay dentro. La pasa por rayos X y, por las sombras en la pantalla, deduce: aquí hay metal, aquí materia orgánica. De manera similar, un inspector de futuros tratados de desarme nuclear debería verificar una ojiva sin abrirla y sin ver su contenido secreto. Los neutrones son mejores que los rayos X para esta tarea.

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.

El detector de materia oscura es como una habitación donde intentan escuchar un susurro, mientras cerca crepita la electricidad estática. Este crepitar lo producen los átomos de radón, un gas radiactivo que se filtra de los materiales y del aire.

El metal fundido se parece a una sala abarrotada donde todos esperan la señal para empezar a bailar. La cristalización es ese momento en que el caos se convierte en orden. Pero para que el baile comience, se necesita el primer paso: la aparición de diminutos núcleos de cristalización. Normalmente, para ello hay que enfriar mucho el metal.

El núcleo de un átomo suele tener una forma definida: alargada como un melón o achatada como una calabaza. Pero el silicio-30 se comporta de otra manera: parece no poder decidir cómo ser.

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.

La materia oscura es un pegamento invisible que mantiene unidas a las galaxias. Ya en los años 1930, Fritz Zwicky sospechó de su existencia, y en los 1970 Vera Rubin demostró que sin ella las estrellas se dispersarían.

Los neutrinos son partículas fantasma: predichos por el Стандартной моделью, apenas interactúan con la materia. Atraparlos es como escuchar un susurro en medio del estruendo de una cascada.

El antiprotón es la gemela especular del protón: la misma masa, pero carga negativa. Cuando se acerca al núcleo de un átomo, las partículas pueden aniquilarse, convirtiéndose en radiación.

El núcleo atómico no es simplemente una bolsa de protones y neutrones. Es un sistema cuántico donde las partículas están unidas por hilos invisibles de entrelazamiento. Cuando dos protones o neutrones interactúan, sus estados se entrelazan de tal manera que es imposible describir uno sin el otro.

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.

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.

Las ondas gravitacionales de la fusión de una estrella de neutrones con un agujero negro llevan la huella de la dinámica más compleja del espacio-tiempo. Para descifrar esa huella, los físicos calculan amplitudes de dispersión: las probabilidades cuánticas de que dos cuerpos se separen con un cierto ángulo.

Cuatro átomos de cesio flotan en el vacío, sujetos por pinzas láser como cuentas en un hilo invisible. Alrededor de ellos hay un resonador anular, un circuito cerrado de espejos donde la luz circula sin encontrar obstáculos.

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.