pión

Un puñado de arena en el puño: los granos se empujan entre sí y la mano no puede cerrarse más. La materia ordinaria se comporta de manera similar. Pero en una estrella de neutrones, la compresión es miles de millones de veces más fuerte: los átomos están aplastados, los electrones incrustados en los protones, y casi todo el espacio está lleno de neutrones.

En una habitación silenciosa se puede oír hasta el susurro más débil. Así, en el átomo de hidrógeno, el más ligero de todos, es más fácil notar a un invitado no deseado. Ese invitado podría ser el bosón Z', una partícula mediadora de una nueva fuerza que predicen muchas teorías de unificación. El modelo estándar ya tiene su propio mediador: el bosón Z.

En el anillo de 21 kilómetros de Protvino, en las afueras de Moscú, se planeó alguna vez acelerar protones. Hoy, ese mismo túnel podría albergar una máquina muy diferente: un colisionador de muones. El muón es un pariente pesado del electrón, y ahí reside su fuerza.

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.

En los aceleradores, al hacer colisionar núcleos pesados, los físicos crean brevemente un plasma de quarks y gluones: un estado de la materia en el que los quarks y los gluones no están confinados dentro de partículas, sino que son libres. Durante mucho tiempo se pensó que era un gas, pero los experimentos mostraron que es un líquido casi perfecto.

Una orquesta perfectamente afinada, donde cada instrumento está calibrado con una precisión impecable, intenta tocar en una sala ruidosa. Ese ruido es la gravedad cuántica, la ondulación del espacio-tiempo a nivel microscópico. Constantemente amenaza con desentonar a los músicos.

Dos estrellas de neutrones —restos de astros muertos, comprimidos hasta el tamaño de una ciudad pero con el peso de todo un Sol— giran una alrededor de la otra y finalmente colisionan. En ese instante nace algo intermedio entre un agujero negro y un imán ultrapotente: un campo miles de millones de veces más fuerte que el del más potente escáner de resonancia magnética.

Una gota de nata grasa en un vaso de leche. Si lo agitas, la grasa no se dispersa uniformemente: se acumula en grumos más densos que se mueven de manera distinta al resto del líquido. Algo parecido ocurre con los quarks dentro de los mesones, unas partículas diminutas que viven fracciones de segundo insignificantes.

El Universo está lleno de materia invisible que gobierna el movimiento de las galaxias. En los años 1970, la astrónoma Vera Rubin demostró que sin la materia oscura, las estrellas de las afueras se habrían dispersado hace tiempo. Pero de qué está hecha sigue siendo un misterio.

A primera vista, el núcleo atómico es como un piso compartido y apretado donde protones y neutrones (juntos, nucleones) viven según reglas estrictas. Cada uno ocupa su órbita, como los electrones en el átomo, y en promedio todo parece ordenado.

Dos núcleos de estaño chocan a una velocidad de aproximadamente dos tercios de la velocidad de la luz. Por un instante se forma una nube densa y caliente de la que salen protones en todas direcciones. Si se capturan pares de protones y se mide con qué frecuencia salen en la misma dirección, se puede calcular el tamaño de esa nube.

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.

La fusión nuclear, la unión de un protón con un núcleo de boro-11, promete una fuente de energía casi ideal: sin flujo de neutrones peligrosos, solo un flujo de partículas cargadas que se puede convertir directamente en corriente eléctrica.

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 sistema binario Cygnus X-3, en nuestra Galaxia, un agujero negro y una estrella gigante giran tan cerca que la estrella pierde materia, arrastrada por un potente viento. De las cercanías del agujero negro surgen chorros; recientemente, un telescopio captó de ellos fotones que llevan cada uno la energía de un mosquito en vuelo.

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.

El protón no es una bolita compacta. Su carga, su masa y otras propiedades se distribuyen en el espacio de maneras distintas, y cada propiedad tiene su propio radio. Los físicos saben desde hace tiempo cómo medir dónde se concentra la carga del protón y dónde está su masa.

Cuando un protón rápido choca contra el núcleo de un átomo, por un instante nacen partículas nuevas. Una de ellas es el mesón fi: un cúmulo de materia de vida corta que se desintegra en un par electrón-positrón. Captar esa desintegración es como oír el eco de una explosión lejana: la explosión ya terminó, pero su rastro aún vuela.

Cada vez que el deuterio y el tritio se fusionan en un reactor de fusión, sale un neutrón rápido. Puede transformar unas sustancias en otras, por ejemplo, crear isótopos valiosos para la medicina. Hoy en día, esos neutrones cuestan una fortuna, porque hay pocas instalaciones experimentales y funcionan con poca frecuencia.

En las colisiones de núcleos pesados se genera una bola de fuego compuesta por miles de partículas. Entre ellas se encuentran los piones y los kaones, dos tipos de partículas ligeras muy similares entre sí. Para entender qué ocurre en esa bola de fuego, los físicos necesitan saber con exactitud cuántas partículas de cada tipo han salido.

En el Gran Colisionador de Hadrones no solo chocan protones, sino también núcleos atómicos completos. Cuando dos núcleos chocan a gran velocidad, se genera un diminuto volumen de materia sobrecalentada, tan caliente que los protones y neutrones se funden y se convierten en una 'sopa' de quarks y gluones.

En la década de 2010, los físicos que trabajan en el Gran Colisionador de Hadrones aprendieron a crear en el laboratorio una sustancia que no existe en el mundo ordinario.

El núcleo atómico no es una esfera sólida, sino una gota de líquido que se puede comprimir. Para entender cuán elástica es, los físicos aceleran núcleos de oro y los hacen chocar entre sí. En el impacto, la materia se comprime hasta densidades similares a las de una estrella de neutrones y luego se dispersa.

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.

En los primeros instantes después del Big Bang el espacio hirvió. Una sustancia sobrecalentada que impregnaba el mundo generaba burbujas gigantes de una nueva fase, como un líquido produce vapor. Los choques de esas burbujas aceleraban partículas a energías inimaginables en los aceleradores terrestres.

Es como un puente al que le falta la parte central, y nadie espera coches al otro lado. Así veían los astrónomos los agujeros negros con masas entre 50 y 130 soles: las estrellas capaces de crearlos explotan como supernovas de inestabilidad de pares — el núcleo se calienta tanto que la luz crea partículas y antipartículas, la presión colapsa y la…

Un copo de nieve, al caer de la nube, elige entre su forma izquierda y su forma derecha. La diferencia entre ambas es casi imperceptible, como un soplo de viento, pero es precisamente ese soplo el que decide qué patrón crecerá.