modelo estándar

Entre los restos de las colisiones de partículas a veces nacen 'visitantes' de vida corta: los hiperones. Uno de ellos, la Σ0, vive menos de una diez mil millonésima de segundo y se desintegra en pleno vuelo. Capturarla directamente es casi imposible, pero se pueden observar sus huellas: deja tras de sí otra partícula, la Λ, y un par electrón-positrón.

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.

En 1994 y 1995, en el acelerador LEP se hacían colisionar electrones y positrones para producir bosones Z, que se desintegraban inmediatamente en cascadas de partículas.

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.

El campo magnético de la Tierra no es constante: tiembla por el viento solar, por tormentas lejanas, por el funcionamiento del metro. Para notar esas vibraciones se necesita un instrumento que no vibre por sí mismo. Los físicos han construido uno con átomos de iterbio enfriados casi hasta el cero absoluto.

El mundo cuántico está lleno de sorpresas: si intercambias dos electrones, su función de onda conjunta solo cambia de signo, y si intercambias dos fotones, no ocurre nada en absoluto. Pero hay partículas que al intercambiarse se comportan de manera muy distinta: como si recordaran que han sido intercambiadas. Estas partículas se llaman anyones y solo son posibles en el mundo bidimensional.

Un contenedor marítimo es una caja fuerte de acero del tamaño de una habitación, repleta de mercancías. Escanearla con rayos X es difícil: las paredes gruesas y la carga densa atenúan los rayos. En su ayuda vienen los muones, partículas que nacen en lo alto del cielo y caen constantemente sobre la Tierra.

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.

Cada segundo, un flujo invisible de partículas atraviesa el cuerpo humano. Son los neutrinos, diminutos mensajeros de estrellas lejanas y reactores terrestres. Capturarlos es casi imposible: atraviesan la materia como una bala atraviesa la niebla. Pero los físicos han aprendido a tenderles emboscadas.

El campo magnético en este dispositivo debe ser tan uniforme como un vidrio: cualquier ondulación mínima borraría la señal. Los ingenieros ensamblaron dos bobinas que se compensan mutuamente el campo en el exterior y las envolvieron en tres capas de placas ferromagnéticas.

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.

El núcleo atómico no siempre es redondo, como una bola de billar. Algunos núcleos se alargan con forma de balón de rugby, mientras que otros se vuelven parecidos a una pera, con un extremo más grueso que el otro.

El mundo cuántico a menudo se compara con un instrumento musical. Las bandas electrónicas en un cristal son como cuerdas, cada una con su propio tono. Normalmente, si las cuerdas están afinadas de manera simple, sin entrecruzamientos complicados, el sonido que produce su movimiento conjunto también permanece simple.

Una piedra lanzada contra una pared rebota. En el mundo cuántico, una partícula puede atravesarla como si la pared estuviera tejida de niebla. Eso es el efecto túnel cuántico: enciende las estrellas, funciona en los microchips e incluso en las células de nuestro cuerpo.

Un rayo láser se asemeja a un vorágine veloz que atrapa por un instante al electrón que pasa. Mientras la partícula atraviesa el pulso, su espín (una rotación intrínseca, como la de una diminuta peonza) sufre un leve empujón. Al salir del haz, la peonza ya no apunta en la misma dirección: se ha girado un poquito.

Unas balanzas ultraprecisas intentan captar la diferencia entre dos granos de arena casi idénticos. Uno de ellos es el reflejo perfecto del otro, como en un espejo. En el mundo de las partículas elementales, ese reflejo especular se denomina paridad P, y su violación es uno de los mayores enigmas de la física.

En el mundo cuántico, las partículas se dividen en dos bandos irreconciliables: los bosones aman reunirse en un mismo estado (como la luz en un láser), mientras que los fermiones son individualistas y nunca ocupan el mismo lugar. Parecería que una sola red neuronal no puede aprender ambos caracteres a la vez.

El hielo común se convierte en agua a cero grados. Y la materia a densidad nuclear —el plasma de quarks y gluones— experimenta algo parecido a unos 155 MeV (aproximadamente dos billones de grados). Solo que aquí no se funde una red cristalina, sino el llamado condensado de quarks: un mar de vacío que da masa a las partículas.

En el mundo cuántico, las partículas a veces se comportan como acróbatas en cuerdas invisibles. El campo de instantón es un vórtice de corta duración que surge y desaparece al instante. Cuando un fermión (una partícula como el electrón) entra en ese vórtice, su energía no permanece quieta.

Cuando dos núcleos atómicos chocan, nace una diminuta bola de fuego. Vive un instante, pero en su interior se suceden épocas enteras: compresión, calentamiento, expansión.

Para asomarse a lo más profundo de la estructura del mundo, los físicos aceleran electrones y los hacen chocar. Un electrón común se parece a una peonza que gira de cualquier manera. Para experimentos delicados se necesitan partículas en las que todas las peonzas apunten en la misma dirección: eso se llama polarización.

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 líquido de espín cuántico es un estado de la materia en el que los momentos magnéticos de los átomos se comportan como un líquido: oscilan constantemente y no se ordenan rígidamente incluso a temperaturas muy bajas. Uno de los modelos teóricos más conocidos de este líquido fue propuesto por Alexei Kitaev.

En algunas teorías cuánticas, las simetrías se entrelazan de manera inusual, como si un castillo tuviera dos llaves, pero girar una desplazara ligeramente la otra. Estas simetrías entrelazadas se denominan 2-grupos. Una de ellas es ordinaria y actúa sobre partículas puntuales (0-forma); la otra es «lineal» (1-forma) y gobierna objetos extendidos como cuerdas o líneas.

El cristal de uranio-arsénico (UAs2) bajo presión se comporta como una casa con dos habitaciones. En una habitación, los electrones están quietos; en la otra, deambulan libremente. En condiciones normales, es un clásico 'Kondo de red': electrones pesados, casi inmóviles, en los orbitales 5f5/2, rodeados por un mar de electrones de conducción rápidos.

Un servicio postal donde los mensajeros de repente dejan de moverse. Parecería que las cartas dejarían de llegar y la comunicación entre ciudades se interrumpiría. Pero ¿y si los propios sobres adquirieran la capacidad de cambiar de forma y transmitir mensajes a través de una red común sin moverse del sitio?

En el núcleo atómico, los protones y los neutrones están tan densamente empaquetados que entre ellos actúan fuerzas que recuerdan a resortes tensados. Unos resortes se comprimen y se estiran por igual en todas las direcciones: son las fuerzas centrales habituales.

La carga eléctrica es algo escurridizo. Se puede medir cuánta hay en todo el universo o en una partícula concreta, pero intentar señalar con el dedo: «Aquí, en este centímetro cúbico, justo ahora hay tanta carga» choca contra un muro fundamental. El problema es que la carga total, que los físicos denotan con la letra Q, es algo no local.

En 1998, el matemático David Boyd notó algo extraño. Estudiaba la medida de Mahler de un polinomio —una cantidad que mide la "complejidad" de sus raíces— y descubrió que para una familia de curvas siempre se expresa como un número racional especial racional multiplicado por el valor de la derivada de la función L.

En física nuclear, un enigma llevaba tiempo sin resolverse: ¿por qué entre los elementos más ligeros que el bismuto solo el tecnecio (n.º 43) y el prometio (n.º 61) no tienen ni un solo isótopo estable? Todos sus vecinos en la tabla periódica pueden presumir de al menos una variante de larga vida, pero estos dos parecen escapar a la regla general.

Una fracción de segundo después del Big Bang, el universo era un caldo hirviente de partículas y antipartículas. Según todas las leyes, deberían haberse aniquilado mutuamente, dejando solo el vacío. Pero por una razón desconocida, por cada mil millones de pares, quedó una partícula de materia 'extra'.

El modelo cosmológico estándar ΛCDM (que incluye energía oscura y materia oscura fría) es la partitura de una sinfonía cósmica. Describe cómo, tras el Big Bang, el espacio se expandió. Cómo se agrupó la materia oscura. Cómo se encendieron las galaxias.

Una transición de fase es como el momento en que el agua se convierte en hielo. En el mundo cuántico, estas transiciones ocurren en el cero absoluto, y verlas directamente es casi imposible. Normalmente, para ello se construyen modelos computacionales complejísimos que requieren enormes recursos. El método Delta-VQE propone un atajo.

Una cadena cuántica se parece a una guirnalda de luces, donde las bombillas son los espines de las partículas. En el caso ideal, todas las bombillas brillan sincronizadas, siguiendo un ritmo común: eso es la simetría. Pero si cortas un trozo de la guirnalda, el ritmo puede desajustarse: dentro del trozo, la simetría se rompe.

Una estrella masiva agota su combustible y su núcleo colapsa en fracciones de segundo. Nace una supernova y, con ella, una lluvia breve pero intensa de neutrinos. Estas partículas apenas interactúan con la materia, por lo que escapan libremente llevando información sobre la catástrofe.

El río se bifurca. Un brazo es ancho y rápido; el agua fluye suavemente, pero al aumentar la temperatura la corriente se ralentiza: aparecen remolinos y olas. El segundo brazo es estrecho, con rápidos, donde el agua salta de piedra en piedra. Este flujo, por el contrario, se vuelve más vivo con el calor.

Una cuerda bien tensada sigue vibrando después de un pellizco. En la física de partículas elementales existe un objeto similar: el oscilón. Es un cúmulo de energía que pulsa, como un corazón, sin dispersarse en el espacio. Estas estructuras surgen en el campo de Higgs —ese mismo campo que es responsable de la masa de las partículas.

El mundo cuántico es astuto: a veces, las partículas confinadas en una capa plana y atravesadas por un campo magnético intenso comienzan a comportarse como un líquido compuesto no por electrones enteros, sino por fracciones de ellos: cargas fraccionarias. Esto es el efecto Hall cuántico fraccionario.

Una fila de soldados, a la orden, gira en una misma dirección. En los materiales magnéticos, el papel de los soldados lo desempeñan los espines de los átomos: diminutas agujas magnéticas. En un imán ordinario apuntan igual, pero en una red triangular todo es más complicado: los vecinos se estorban mutuamente y surge una danza enredada.

Los cálculos cuánticos a menudo se asemejan al ensamblaje de un mecanismo complejo: el físico sabe que la pieza encajará, pero no siempre puede explicar por qué. Uno de los trucos favoritos es insertar un «uno» en medio de la fórmula, pero no uno ordinario, sino uno compuesto por un conjunto infinito de todos los estados posibles del sistema.