masa del protón

Dentro del núcleo atómico, los protones y neutrones no están quietos, como guisantes en un frasco. Cada partícula ocupa su propia órbita: una región del espacio donde se la puede encontrar. Cuanto mayor es la órbita, más "difusa" está la partícula.

Para conocer el tamaño de la nube de protones en el núcleo atómico, los físicos hacen colisionar un núcleo inestable con un blanco y observan cuántos protones pierde. Cuanto más grande es el núcleo proyectil, más frecuentemente choca con los núcleos del blanco y pierde partículas.

Cuando la partícula ψ(2S) se desintegra en un protón y un antiprotón, dos mecanismos diferentes actúan simultáneamente: la interacción fuerte, como un pegamento que mantiene unidos a los quarks, y la electromagnética, como la luz que repele las cargas. Sus contribuciones se suman con un cierto desfase.

Un haz de protones dirigido a un tumor atraviesa los tejidos blandos como un cuchillo caliente en la mantequilla, pero su alcance depende de las propiedades más sutiles del agua, de la que estamos hechos en su mayor parte. El agua es el componente principal del cuerpo, y de lo rápido que los protones se frenan en ella depende dónde exactamente depositan su energía.

En el centro de cada átomo hay un núcleo: una densa esfera de protones y neutrones. Estas partículas no se amontonan al azar, sino que llenan niveles de energía estrictos, como pisos en un rascacielos. Cuando un piso está completamente ocupado, el núcleo se vuelve especialmente estable: los físicos lo llaman número mágico. El más pesado de estos números en núcleos estables es 126 neutrones.

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.

El misterio de la principal ruptura en el espectro de los rayos cósmicos galácticos — la rodilla a 3 PeV — persistió durante casi un siglo.

Una estación de tren ruidosa en hora punta. Miles de personas se apresuran, las voces se funden en un murmullo. Y en algún lugar de esa multitud, dos personas intentan darse la mano con un gesto especial, casi imperceptible. Notar ese apretón de manos es casi imposible.

Un fuego artificial estalla y un solo punto se dispersa en cuatro chispas. Algo similar hace el bosón Z —la partícula que transmite la interacción débil— cuando se desintegra en cuatro leptones cargados (electrones o muones). El proceso es extremadamente raro: por cada millón de bosones Z producidos, solo ocurren unos cinco de estos sucesos.

Un pluviómetro común recoge el agua en un cubo y muestra el volumen total de precipitación. Pero el nuevo dispositivo es como una palma sensible que percibe cada gota que cae y las cuenta, incluso cuando son varios miles. Precisamente eso es lo que han construido los físicos.

El hidrógeno es el átomo más simple: un protón y un electrón. Parecería que no hay nada que estudiar, pero es precisamente en él donde los físicos ponen a prueba las leyes más sutiles del micromundo. El electrón en el átomo puede ocupar distintos niveles de energía, como los peldaños de una escalera.

La corteza exterior de una estrella de neutrones se parece a un pastel de capas, donde cada capa es un tipo de relleno estrictamente definido. Es una red cristalina de núcleos atómicos sumergida en un mar de electrones. Cuanto más profundo, mayor es la presión, y más pesados son los núcleos que pueden existir allí sin desmoronarse.

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.

Los pequeños imanes dentro de los átomos —los espines nucleares— pueden "congelarse" durante largos minutos en un cristal frío. Esto dificulta el ajuste rápido de los sensores cuánticos: todo tarda demasiado en alcanzar el estado deseado. Los físicos han encontrado una manera de impulsarlos con luz.

Imagina un edificio de varias plantas donde en cada piso viven protones y neutrones. Los pisos son los niveles de energía, y normalmente entre el sexto piso y el siguiente hay un tramo de escaleras de cierta altura: la llamada brecha. En el núcleo del átomo de oxígeno-20, esta brecha actúa como una barrera difícil de superar para las partículas.

En el detector LHCb, donde chocan protones, entre miles de millones de desintegraciones se encontró una huella inusual. La partícula, llamada $$D_{s1}$$(2933)^+, aparece por un instante y se descompone inmediatamente en otras partículas. Su vida es tan corta que no se puede ver directamente; solo a través de los productos de su desintegración se puede reconstruir que existió.

Para conocer el tamaño real del protón, los físicos reemplazaron el electrón en el átomo de hidrógeno por su copia pesada: el muón. El muón, como una lupa con aumento de mil veces, se acerca al núcleo y «palpa» el protón con una precisión antes inalcanzable.

La luz, girada en una dirección, incide sobre un protón. La partícula puede absorber el fotón o rechazarlo, y esto depende de cómo esté orientado su propio espín, ese pequeño trompo interno.

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.

Los rayos cósmicos son partículas que nos llegan desde el espacio profundo. Cuando una de estas partículas choca contra la atmósfera, genera toda una lluvia de nuevas partículas, como una bola de billar que rompe el triángulo y las bolas salen disparadas en todas direcciones.

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.

Protones acelerados a enormes energías chocan contra una gruesa placa metálica, como balas contra una armadura. Dentro del metal, por un instante, nace una partícula J/ψ que inmediatamente se desintegra en dos muones, parientes ligeros del electrón. Estos muones salen del blanco y los detectores capturan sus huellas.

Dos partículas que se separan en direcciones opuestas se comportan como un todo: la medición de una determina instantáneamente el estado de la otra. Este entrelazamiento cuántico se conocía desde hace tiempo en partículas ligeras, pero ahora se ha observado por primera vez en los pesados bosones Z, los portadores de la interacción débil.

En el Gran Colisionador de Hadrones, los protones chocan a casi la velocidad de la luz. A veces no se rompen, sino que intercambian fotones, las partículas de la luz. Estos fotones pueden crear un par: una partícula que el detector ve y otra que se escapa sin ser detectada.

Cuando un bosón W (la partícula que transmite la interacción débil) se desintegra en un quark y un antiquark, a la enorme velocidad del colisionador estos dos fragmentos vuelan casi en la misma dirección.

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 un anillo subterráneo de 27 kilómetros de circunferencia, los protones se aceleran hasta casi la velocidad de la luz y se hacen chocar de frente. En el punto de impacto se recrean por un instante condiciones similares a las de la primera billonésima de segundo tras el nacimiento del Universo.

En 2017, en el Gran Colisionador de Hadrones, los protones chocaron a una energía de 5,02 TeV. El detector CMS registró esas colisiones y, entre miles de millones de eventos, los físicos buscaban un caso raro: la producción de un único quark top sin su antipartícula.

Una colisión a gran velocidad arrancó un neutrón del núcleo de helio-8, y por un instante se formó un núcleo de helio-7, como una estantería sobrecargada de la que caen tres libros a la vez. Este efímero «sonido» de la desintegración se ha podido registrar por primera vez: tres neutrones salieron disparados, dejando tras de sí un núcleo ordinario de helio-4.

Dos equipos de radiotelescopios apuntaron sus antenas a dos nubes de gas: una en el mismo centro de la Vía Láctea y otra en sus tranquilas afueras. En ambas nubes hay moléculas de metanol —un alcohol que en el espacio actúa como un diminuto péndulo: absorbe y emite ondas de radio a frecuencias estrictamente definidas.

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.

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.

Cuando en la superficie de una estrella de neutrones —el remanente superdenso de una estrella muerta— se acumula materia, ocurre una explosión similar a una bomba termonuclear gigante. En ese infierno, en segundos, nacen núcleos de elementos que no existen en la Tierra. Para saber cuáles, es necesario conocer sus masas con enorme precisión.

Mucho antes, Fritz Zwicky predijo que tras la explosión de una supernova nace una diminuta estrella de neutrones. Años después, Jocelyn Bell Burnell captó sus pulsaciones, descubriendo los púlsares.

El protón no puede verse como una simple bolita. Si lo golpeas con un fotón, puede absorber energía y pasar a un estado excitado, como una campana que empieza a vibrar a una frecuencia determinada tras el golpe. Estos estados se denominan resonancias de nucleones y viven muy poco tiempo antes de desintegrarse en otras partículas.

Cuando dos protones chocan a gran velocidad, del punto de impacto sale un haz estrecho de partículas: un chorro, parecido a las salpicaduras de una piedra lanzada al agua. En las colisiones de núcleos pesados de plomo, todo es más complejo: en su interior surge una nube caliente que impide que el chorro vuele en línea recta.

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.

El muón es como un electrón, pero 200 veces más pesado. Cuando se detiene en un trozo de silicio, es atraído hacia el núcleo atómico como un imán atrae un clavo. El núcleo recibe energía extra y empieza a "hervir": de él salen distintas partículas: protones, deuterones, tritones y partículas alfa.

De noche, sobre la taiga siberiana, a veces destella una débil luz azulada. No es una aurora boreal, sino una lluvia cósmica: una partícula llegada del espacio profundo choca contra la atmósfera y se desintegra en millones de partículas secundarias. Estas se precipitan hacia la Tierra en un frente amplio, como una ola que se expande al lanzar una piedra al agua, y hacen que el aire brille.