producción de pares

Imagine un rayo verde que, al atravesar un ingenioso montaje óptico, se enrosca en un embudo tridimensional de luz: un vórtice óptico. En su corazón, como en el ojo de un huracán, la intensidad cae a cero. Justo allí los fotones desaparecen.

Desde que Saul Perlmutter y sus colegas descubrieron la expansión acelerada del universo, los físicos se devanan los sesos con la naturaleza de la energía oscura.

Dos agujeros negros giran en una danza lenta, acercándose gradualmente. Su movimiento perturba el propio espacio-tiempo, como si dos bolas pesadas rodaran sobre una sábana tensa, haciéndola vibrar. A estas vibraciones las llamamos ondas gravitacionales.

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.

Muchos agujeros negros están rodeados de campos magnéticos. Al girar, el agujero arrastra consigo el espacio-tiempo curvado, como un volante de inercia de una máquina, y pone en marcha una fábrica cósmica.

Dentro del modelo estándar, nuestra descripción más completa del mundo subatómico, la carga eléctrica siempre es un múltiplo de la carga del electrón: la naturaleza opera con unidades enteras, como un constructor que usa ladrillos de un tamaño estrictamente definido. Sin embargo, las ecuaciones permiten la existencia de partículas con doble carga: los bileptones.

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.

Dentro de una estrella de neutrones, la densidad no cambia suavemente, sino que cae en picado con escalones bruscos: los escalones de densidad. En esos escalones, el vacío de repente produce pares: neutrinos y antineutrinos.

La luz de una bombilla o incluso de un láser común se asemeja a una multitud a la salida del metro: la gente camina desordenadamente, a veces en tropel, a veces en solitario. Los físicos llaman a este comportamiento ruido de disparo: son las fluctuaciones aleatorias en el número de partículas que llegan por segundo.

El vacío puede generar partículas si se aplica un campo suficientemente intenso. Los físicos llaman a esto la paradoja de Dirac–Klein. Antes, para explicarlo se requerían cálculos muy complejos de la teoría cuántica de campos. Pero se puede recurrir a una imagen intuitiva: una banda elástica muy tensada con un nudo. El nudo es la partícula.

El láser golpea un átomo de estroncio y de él salen dos electrones a la vez. Antes se pensaba que en esta doble ionización cada electrón actuaba por su cuenta: uno es expulsado primero, el segundo después, al azar.

Un diodo semiconductor normalmente conduce la corriente en una sola dirección, como una puerta con resorte: en un sentido se abre fácilmente, en el otro se atasca. Pero si se satura el cristal con impurezas, la puerta empieza a comportarse de manera extraña: con voltaje inverso, la corriente no solo fluye, sino que se dispara.

La luz solar es un torrente impetuoso que lleva pares inseparables de gotas. Así se ve el entrelazamiento cuántico: dos partículas están tan unidas que la vibración de una resuena instantáneamente en la otra. Antes, para crear estos pares se necesitaba un «remanso tranquilo»: un rayo láser perfectamente ajustado.

En el Gran Colisionador de Hadrones, los físicos aceleran protones hasta casi la velocidad de la luz y los hacen chocar. Normalmente, en estas colisiones participan los propios protones, pero a veces pasan muy cerca sin tocarse, y lo que interactúan son sus campos eléctricos.

Un ion individual de calcio flota en una trampa de vacío, sostenido por campos eléctricos, como un guisante en un cuenco invisible. A su alrededor hay dos espejos que forman una cavidad óptica: la luz rebota entre ellos, intensificando la interacción con el ion.

La luz de una lámpara común es un caos: los fotones salen disparados en todas direcciones, sin orden alguno. Pero si se consigue que muchos átomos emitan luz simultáneamente y al unísono, se obtiene un destello corto y potente, como los aplausos que de palmadas individuales se convierten en una salva única. Esta emisión coordinada se llama superradiancia.

Si haces pasar corriente por un cable, el cable se calienta. Esto lo sabe cualquiera que haya tocado un cargador de teléfono. Los físicos llaman a este calentamiento efecto Joule, en honor a James Joule, quien a mediados del siglo XIX midió cuánto calor produce la electricidad.

Un láser común emite fotones de uno en uno, como un grifo que gotea. ¿Y si necesitas varias partículas de luz que nazcan en el mismo instante? Los físicos han logrado que una nube de átomos fríos de rubidio emita cuartetos de fotones, como si el grifo soltara cuatro gotas a la vez, cada una cayendo en su propio tubo de ensayo.

Los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias surgieron tan rápido después del Big Bang que los astrónomos se devanan los sesos. La clave está en el temblor del invisible campo de axiones.

La expansión del universo es como una pista de baile que se ensancha. Durante décadas, los físicos asumieron que más estiramiento generaría más partículas, como si la pista generara espontáneamente nuevos bailarines. Pero esos modelos ignoraban un hecho obvio: los bailarines a veces se toman de los brazos.

En 1989, John Wheeler formuló una idea audaz: «it from bit», todo lo existente proviene de la información. Durante mucho tiempo esto quedó como una metáfora elegante, pero ahora los físicos han encontrado un mecanismo concreto que convierte bits en partículas.

La emisión espontánea —ese mismo proceso que enciende lámparas y estrellas— ha sido considerada durante mucho tiempo en la física cuántica como un ruido molesto. Esta cacofonía de fotones aleatorios destruye sin piedad el frágil entrelazamiento cuántico, como el crujido de interferencias en una radio ahoga una melodía lejana.