quark

Cuando un protón se rompe en un acelerador, salen quarks y gluones. Pero no se pueden ver libres: casi de inmediato se pegan entre sí formando nuevas partículas, como gotas de mercurio que se juntan en esferas. Este proceso se llama hadronización y dificulta medir con precisión la fuerza que une a los quarks: la interacción fuerte.

Los quarks, los bloques de construcción de protones y neutrones, normalmente se agrupan en pares o tríos. Pero a veces forman combinaciones más grandes e inestables que viven fracciones diminutas de segundo.

Cuando un núcleo atómico pesado se parte en dos fragmentos, entre ellos queda un hilo cuántico invisible. Ese hilo es el entrelazamiento: el estado de un fragmento está ligado instantáneamente al del otro, como si aún fueran una sola cosa.

En el acelerador del Laboratorio Jefferson, un haz de luz golpea protones y de las colisiones nacen partículas de vida corta: los mesones omega. Viven menos de una milmillonésima de segundo, pero alcanzan a contar cómo están hechas las fuerzas dentro del núcleo atómico.

En los primeros instantes después del Big Bang, la materia y la antimateria estaban casi en proporciones iguales. Pero algo rompió el equilibrio y, al final, solo quedó un diminuto exceso de partículas ordinarias: precisamente ese del que están hechas las estrellas, los planetas y nosotros mismos.

El protón no es una bolita sólida, sino una diminuta prisión. Dentro están encerrados tres quarks, y el campo de gluones les impide escapar: algo así como hilos invisibles que se vuelven más fuertes cuando los quarks intentan separarse.

El protón no es una esfera monolítica. Es una nube burbujeante de quarks y gluones que constantemente nacen y desaparecen. Para describir ese panorama ayudan las funciones de distribución de partones, que muestran con qué probabilidad se encuentra un quark o un gluón con cierta energía dentro del protón.

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.

Las estrellas de neutrones son retortas alquímicas cósmicas: a densidades superiores a las nucleares, los hadrones se funden en un plasma de quarks-gluones (QGP), y en el mismo corazón, donde la presión alcanza su pico, nace un superconductor de color (CSC).

En el microcosmos de la interacción fuerte —el pegamento más poderoso de la naturaleza— los quarks nunca pasean solos. A grandes distancias se agrupan en los familiares protones y neutrones.

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.

Los neutrinos son verdaderos fantasmas del microcosmos. Casi sin masa y sin carga, atraviesan los planetas como si fueran vacío. Pero dentro de cada neutrino no se esconde una partícula, sino tres: tres 'sabores' (electrónico, muónico y tau) que fluyen constantemente uno en otro. Esta danza se llama oscilación.

En las profundidades de una estrella de neutrones masiva , donde una cucharadita de materia pesa como una montaña, los quarks están comprimidos hasta una cercanía inimaginable.

Dentro de una estrella de neutrones, la materia se comprime tanto que los núcleos atómicos dejan de ser grumos separados. Los neutrones y los protones se acercan entre sí, y sus interiores —los quarks— comienzan a sentir a los vecinos a través de las paredes de sus "sacos".

Hielo, agua, vapor: transiciones de fase que todos conocemos. Pero, ¿qué ocurre si comprimimos y calentamos el propio núcleo atómico? Los teóricos creen que los protones y neutrones que lo forman se "funden", liberando piezas más pequeñas: los quarks y gluones del modelo estándar.

El fin del universo no es simplemente oscuridad. Si la energía oscura lo desgarra en pedazos o si se contrae de nuevo en un punto, como un Big Bang al revés, se produce una singularidad: el momento en que la física convencional falla. Durante mucho tiempo se creyó que en ese incendio cósmico todo desaparecía.

En la familia de los restos superdensos de estrellas muertas, durante mucho tiempo hubo un vacío. Las estrellas de neutrones — rápidas peonzas del tamaño de una ciudad — rara vez superan las dos masas solares. Los agujeros negros comienzan aproximadamente en cinco masas solares. Y entre ellos hay un «vacío» donde durante décadas no se encontró ningún objeto.

En el cristal de nitruro de boro, la red atómica perfecta a veces se rompe: en algún lugar falta un átomo, en otro lo reemplaza uno extraño. Bajo un potente microscopio, estas diminutas imperfecciones se ven como trampas para electrones: capturan partículas y comienzan a brillar, y además responden a un campo magnético.

Si comprimes un puñado de arena hasta el tamaño de la cabeza de un alfiler, se convertirá en piedra. Pero si lo comprimes aún más, hasta la densidad del núcleo atómico, los granos de arena perderán su forma. Los protones y los neutrones se disuelven, y la materia se vuelve como una sopa de quarks libres.

Un imán con un solo polo: el norte, pero sin el sur. Córtalo por la mitad y, en lugar de dos imanes normales, obtendrás dos imanes de un solo polo. En nuestro mundo aún no se han encontrado partículas así, aunque muchas teorías predicen su existencia. Estos objetos hipotéticos se llaman monopolos magnéticos. Los autores del trabajo han notado una conexión curiosa.

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.

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.

El núcleo de una estrella de neutrones puede compararse con una cuerda tensa de densidad supernuclear. El sonido que la recorre son las oscilaciones de presión, cuya velocidad $$c_s$$ revela la rigidez de la materia. Un nuevo estudio muestra que esta cuerda cósmica no vibra de forma monótona.

La materia ordinaria está formada por átomos, y los átomos por núcleos y electrones. Pero en una estrella de neutrones, la gravedad comprime la materia tan fuertemente que los electrones se incrustan en los protones, y casi todo se convierte en un denso empaquetamiento de neutrones.

Tres gemelos que corren se cambian de ropa constantemente. Algo así hacen los neutrinos, esas partículas casi invisibles que nos atraviesan por billones cada segundo. Nacen en reacciones nucleares, como las del interior del Sol, y existen en tres variedades, o 'sabores'. Pero lo curioso es que, en su camino, un neutrino puede cambiar de sabor, transformarse de electrónico a muónico o a tau.

El acero no es un monolito, sino un mosaico de granos microscópicos soldados entre sí. Sus uniones, los bordes de grano, son el punto más vulnerable: ahí es donde comienzan las grietas. Los átomos de impurezas, incluso en cantidades ínfimas, se acumulan en estas uniones como arena entre engranajes, y pueden lubricar el mecanismo o atascarlo por completo.

El núcleo atómico no es una bola de billar, sino más bien una nube brumosa que cambia constantemente de contorno. Los protones y neutrones en su interior están en continuo movimiento, y el núcleo puede adoptar las formas más diversas: alargado, achatado o con forma de pera.

El núcleo atómico no es una esfera monolítica, sino un enjambre denso de partículas diminutas, los quarks, pegados con un pegamento especial (la interacción fuerte).

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.

Si intentas partir un protón y sacar un quark, te llevas una sorpresa. Las fuerzas ordinarias, como la eléctrica, se debilitan cuando las partículas se separan. Aquí es al revés: cuanto más lejos está el quark de sus vecinos, más fuerte es el tirón que lo devuelve.

Cada otoño, un petirrojo del tamaño de una nuez se lanza desde una rama en algún lugar cerca de San Petersburgo y vuela hacia el sur, rumbo al Mediterráneo, sin consultar jamás un mapa. Se cree que en su ojo funciona una brújula magnética integrada, y la pieza clave de este dispositivo es la proteína criptocromo 4a.

En el detector CMS del Gran Colisionador de Hadrones chocaron protones acelerados casi a la velocidad de la luz. Entre miles de millones de estas colisiones, los físicos buscaban una huella rara: el nacimiento de una partícula pesada que se deshace al instante en un bosón W y un quark b.

Dos flujos de coches chocan en un cruce. En los primeros instantes tras el impacto, los restos no se dispersan al azar, sino como si, por un momento, estuvieran envueltos en una nube común. Algo parecido es lo que han visto los físicos en el Gran Colisionador de Hadrones cuando los protones chocan entre sí a gran velocidad.

Las gotas de aceite en un caldo hirviendo normalmente se separan, pero si chocan muy lentamente, pueden pegarse por un instante. Algo parecido ocurre con los quarks top, los ladrillos más pesados de la materia conocida.

Los quarks son los diminutos ladrillos con los que están hechos los protones y los neutrones. Normalmente se mantienen en parejas: una partícula y su gemelo especular, la antipartícula. Pero a veces los quarks forman combinaciones más extrañas, que los físicos llaman exóticas.

El protón parece una bolita compacta, pero en su interior hierve la actividad: los quarks intercambian gluones, las partículas que los mantienen unidos. Los gluones aparecen y desaparecen, y su distribución dentro del protón no es un mero detalle curioso, sino la clave para hacer predicciones en el Gran Colisionador de Hadrones.

Las partículas pesadas que los físicos llaman bariones se parecen a pequeñas familias de tres quarks. Los bariones ordinarios son los protones y neutrones que componen todo lo que nos rodea. Pero también hay parientes exóticos: en lugar de quarks ligeros, albergan quarks encantados o quarks fondo, que son pesados y de vida efímera.

Si colocamos un kaón en un campo eléctrico, se estira ligeramente, como un globo que frotamos con lana. Esta respuesta —la polarizabilidad eléctrica— indica cuán rígida es la estructura interna de la partícula. Para el kaón cargado se ha medido por primera vez, y el número es este: alrededor de una diezmilésima parte del volumen que ocupa un protón.

En las colisiones de núcleos pesados en los colisionadores se genera plasma de quarks y gluones, un estado de la materia en el que los quarks y los gluones están libres, como el agua en el vapor. Los quarks pesados, como los quarks b, al entrar en este plasma pierden energía y sus estados ligados, los bottomonios, se destruyen.

Cuando colisionan núcleos pesados en aceleradores, se producen muchas partículas, y los físicos quieren entender cómo se mueve la carga eléctrica en ese caos. Dos trenes chocan entre sí: los pasajeros (quarks) salen despedidos, pero su equipaje (la carga) puede terminar lejos del lugar del accidente.