búsqueda de eventos raros

En el hielo antártico se esconde un detector del tamaño de un kilómetro cúbico. No capta luz, sino partículas fantasma: los neutrinos. Pero a veces puede aparecer una bestia muy distinta: un par de muones que nacen juntos y se dispersan en un amplio abanico. Ese patrón no puede dibujarlo ninguna partícula conocida de la materia ordinaria.

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.

En la galaxia NGC 1052 DF2, las estrellas se mueven a tan solo 8 kilómetros por segundo — como si no hubiera masa invisible alrededor. Para comparar: en nuestra Vía Láctea, las estrellas periféricas se aceleran hasta 200 kilómetros por segundo, retenidas por un masivo halo de materia oscura.

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.

La materia oscura es el arquitecto invisible del Universo, que evita que las galaxias se dispersen. Gracias a Fritz Zwicky y Vera Rubin sabemos que la materia ordinaria en el cosmos es solo una ínfima impureza. Pero, ¿qué se esconde detrás de esta materia oscura?

Una fotografía antigua, tomada en el momento del nacimiento del universo, nos trae su luz desde hace casi 14 mil millones de años. Esta imagen es la radiación cósmica de fondo, el eco enfriado del Big Bang. En ella quedaron registradas las mínimas irregularidades de las que más tarde crecieron las galaxias.

Seleccionar un solo microchip defectuoso entre un millón, sin ninguna pista de cómo es el fallo, es un clásico problema de buscar una aguja en un pajar. Una computadora clásica probaría cada chip uno por uno.

La materia oscura es invisible, pero su gravedad gobierna el movimiento de las galaxias. De qué está hecha es un misterio. Una idea: son partículas ultraligeras, parecidas a los axiones.

Los detectores convencionales de materia oscura se parecen a un portero de fútbol que espera un disparo potente, pero el balón apenas rueda. Las partículas invisibles que llenan nuestra galaxia a menudo se mueven demasiado despacio para que los sensores sensibles las noten.

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.

Entre 2016 y 2018, en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, los protones chocaron con una energía de 13 teraelectronvoltios, como si dos guisantes se aceleraran hasta velocidades en las que su impacto engendra un enjambre de nuevas partículas.

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.

En un oscuro pozo bajo los Alpes italianos, un tanque contiene tres toneladas de xenón líquido. Cuando una partícula lo atraviesa, arranca de los átomos débiles destellos de luz y nubes de electrones. Siguiendo estas huellas, los físicos esperan ver la desintegración más rara: el núcleo de xenón-136 se convierte en bario-136, emitiendo dos electrones y ningún neutrino.

Un detector de materia oscura se parece a un micrófono muy sensible que escucha el silencio. Capta diminutos golpes de calor, los fonones, que se producen cuando una partícula roza el cristal. Pero en lugar de silencio, los instrumentos han estado oyendo ruido durante años: una multitud de señales débiles por debajo de unos pocos cientos de electronvoltios.

En un frío profundo, a solo dos grados por encima del cero absoluto, una cavidad de cobre del tamaño de una cacerola escucha el silencio del universo.

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 detector MicroBooNE es un gran tanque de argón líquido que atrapa partículas que lo atraviesan. Cuando una partícula pasa, deja un rastro de carga y un destello de luz. Estos rastros se combinan en una imagen tridimensional del evento, como si la partícula dibujara su camino en un cubo transparente.

Una bala que no atraviesa un solo blanco, sino que deja su huella en varias capas de blindaje. Así se comporta aproximadamente la materia oscura superpesada que se ha buscado por primera vez en el detector DarkSide-50.

La materia oscura es como un pegamento invisible que mantiene unidas a las galaxias. No emite luz, pero si sus partículas chocan, puede destellar radiación gamma.

En el océano a veces surge una ola solitaria enorme que crece de la nada y desaparece. Estas olas gigantes son raras pero peligrosas. Destellos raros y potentes similares ocurren en otros sistemas, desde los mercados financieros hasta los láseres. El problema es que son difíciles de predecir y mucho más de provocar a voluntad.

Plomo antiguo, que permaneció en el fondo del mar durante dos mil años, se ha convertido en el corazón de un detector que busca la sustancia más esquiva del universo. Con él se cultivó un cristal transparente de wolframato de plomo de 13 gramos de masa y se enfrió casi hasta el cero absoluto.

Desde que Vera Rubin demostró de manera convincente por primera vez que las galaxias están rodeadas de materia invisible, la búsqueda de la naturaleza de la materia oscura sigue siendo uno de los principales objetivos de la física.

Los detectores de ondas gravitacionales normalmente comparan la señal con plantillas predefinidas, como si buscaran una melodía conocida en el ruido. Esto solo permite rastrear escenarios conocidos, como la fusión de agujeros negros.

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.

El láser de rayos X LCLS-II en California dispara destellos cortos y potentes, como un estroboscopio en una discoteca. Entre destellos quedan pausas oscuras de 26,9 nanosegundos (milmillonésimas de segundo).

En el detector BESIII, las partículas representan una obra de teatro: chocan, nacen y se desintegran, dejando destellos de luz. Pero a veces un actor puede salir del escenario sin ser visto, por una puerta secreta que las cámaras no captan. Los físicos buscaban precisamente esas desintegraciones "silenciosas", en las que una partícula se convierte en algo invisible para los instrumentos.

Detectar una señal débil en medio del ruido es como intentar oír una campana lejana en una tormenta. La amplificación común solo hace el estruendo más ensordecedor. La corrección cuántica de errores resuelve el problema de forma inesperada.

En 1997, el océano Pacífico se calentó tanto que los corales se blanquearon desde Indonesia hasta las Galápagos, y las inundaciones y sequías barrieron cinco continentes. Estos eventos, que los climatólogos llaman El Niño extremos, ocurren una vez cada pocas décadas, y para entender con qué frecuencia vendrán en el futuro se necesitan miles de años de observaciones.

Hace un siglo, los observatorios magnéticos registraban solo la lenta respiración del núcleo terrestre. Hoy, sus datos se convierten en territorio de caza para la física de partículas. En el observatorio Eskdalemuir, al norte de Inglaterra, cada centésima de segundo se registran las oscilaciones del campo magnético.

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.