interacción fuerte

El mapa de la materia nuclear densa se asemeja a un mapa de carreteras: las líneas de transición de fase se cruzan en puntos críticos, como las autopistas en los cruces. Hasta ahora, en ese mapa se encontraban dos cruces: la transición nuclear líquido-gas y la de desconfinamiento, donde los hadrones se descomponen en quarks.

Imagina dos peonzas lanzadas sobre una mesa. Si giran en el mismo sentido, su rotación conjunta es grande; si giran en direcciones opuestas, la rotación total puede ser nula, aunque cada peonza por separado gire rápido. En una pareja de estrellas de neutrones que se aproximan antes de fusionarse, el papel de esas peonzas lo desempeñan sus rotaciones propias, los espines.

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.

Dos núcleos con el mismo número de partículas, pero con diferente forma del abrigo de neutrones, chocan a velocidades cercanas a la de la luz. El rutenio-96 y el circonio-96 son como dos gemelos, uno de los cuales tiene un abrigo un poco más grueso. Esta diferencia cambia cómo las partículas transfieren carga en la bola de fuego de la colisión.

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.

Tres bolas de billar tras el impacto se dispersan por la mesa: sus trayectorias dependen solo del impulso inicial. Pero en el mundo de los núcleos atómicos todo es más complejo: las partículas se sienten entre sí en movimiento, incluso si no están ligadas en un todo.

Tres bolas de billar tras el impacto se dispersan por la mesa: sus trayectorias dependen solo del impulso inicial. Pero en el mundo de los núcleos atómicos todo es más complejo: las partículas se sienten entre sí en movimiento, incluso si no están ligadas en un todo.

Dentro de cada célula, constantemente hay moléculas que se encuentran y se separan. Algunas parejas se mantienen unidas con fuerza, como un velcro; otras apenas se rozan, como el polen al viento. Son precisamente estos roces fugaces, cuya fuerza de unión es comparable a la disolución de un grano de sal en un vaso de agua, los que controlan muchas señales y decisiones celulares.

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.

El Sol es una caldera gigante donde la luz se abre paso a través de una espesa capa de materia incandescente. En su camino hacia la superficie, los fotones (partículas de luz) chocan constantemente con los átomos y pierden energía. La medida en que la materia retiene la luz se denomina «opacidad», y de ella depende la rapidez con que el calor escapa hacia el exterior.

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.

Una bola de billar choca contra otra en la más absoluta oscuridad. El sonido del impacto y el golpe de las bolas al caer en la tronera es todo lo que se oye. Así, más o menos, estudian los físicos las interacciones entre partículas elementales a energías que ningún acelerador terrestre puede reproducir.

En junio de 2024, el radiotelescopio CHIME registró desde la fuente FRB 20240114A más de 700 estallidos de radio por hora. Este repetidor hiperactivo libera en una hora casi toda la energía magnética de un magnetar común (estrella de neutrones con campo ultraintenso).

Tres haces láser se entrelazan formando un triángulo. Cada uno está enlazado con los otros dos: así está diseñado el nuevo esquema que los físicos llaman «vacío comprimido de tres modos totalmente conectado».

En la ciudad de las partículas elementales hay una casa justo en la frontera: la X(3872). Se alza exactamente en la línea que la separa de desintegrarse en dos estructuras más ligeras: el mesón D y el antimesón D. Un pequeño empujón y se desmoronaría. Pero la casa sigue en pie. Los físicos llevaban tiempo discutiendo qué la sostiene.

La luz de lejanos cuásares, abriéndose paso a través de miles de millones de años, deja en la película cósmica un patrón de líneas oscuras de absorción: el bosque espectroscópico de Lyman-alfa. Cada línea es como una nota en una grandiosa partitura, escrita por el hidrógeno del medio intergaláctico.

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.

El interior de las estrellas de neutrones es el reino de la materia degenerada. Aquí los protones se condensan en un condensado superconductor, atravesado por vórtices cuánticos. Imagina diminutos trompos magnéticos: cada uno lleva un cuanto de flujo magnético y se desliza a través del líquido de electrones.

En aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones se hacen chocar núcleos pesados a velocidades enormes. Por un instante nace el plasma de quarks y gluones (PQG), un estado de la materia en el que los quarks y los gluones flotan libremente, como en los primeros microsegundos tras el nacimiento del universo.

Dos péndulos en un mismo hilo intercambian movimiento: si empujas uno, el segundo comienza a oscilar, y un instante después el primero recibe un empujón de vuelta. En el átomo de torio-229, la energía fluye casi sin pérdidas entre la capa electrónica y el núcleo.

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 el interior de una estrella de neutrones, el remanente de una estrella que explotó, la materia está tan comprimida que una cucharadita pesa miles de millones de toneladas. Entre esta materia superdensa, quizás actúe un tipo especial de fuerza, una que solo afecta a los neutrinos muónicos y tauónicos.

El universo se expande con aceleración, como una masa que sube cada vez más rápido aunque la levadura se acabó hace tiempo. Durante veinte años, los astrónomos han buscado la causa y la llaman energía oscura. Pero qué es exactamente sigue siendo un misterio. El nuevo trabajo propone una fuente inesperada: el vacío dentro del núcleo atómico.

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.

Un cable de teléfono muy retorcido se revienta y chispea. Así se comportan los campos magnéticos en el Sol: se retuercen, se rompen y se reconectan, alimentando las erupciones. Los astrónomos vieron este proceso directamente por primera vez. Un lazo estaba retorcido 540 grados — una vuelta completa y media más. Esto es tres veces más de lo que se creía posible.

El agua en un vaso parece simple, pero para romperla en oxígeno e hidrógeno con luz solar no basta con transferir electrones: además, deben 'ponerse de acuerdo' sobre la dirección de su giro. La molécula de oxígeno nace con dos electrones desapareados que giran en el mismo sentido.

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.

Dentro del protón hierve la vida. Los quarks no están simplemente sentados: los mantienen unidos unas partículas portadoras, los gluones (de la palabra glue, pegamento). Normalmente, este pegamento está distribuido uniformemente, como mantequilla sobre una sartén. Pero cuando las energías se vuelven enormes, los gluones empiezan a agruparse en grumos.

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.

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.

Un malabarista lanza mazas sentado en una silla giratoria. Si comienza a hacer girar las mazas todas en la misma dirección, la silla girará en sentido contrario; de lo contrario, se violaría la ley de conservación del momento angular.

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.

En el agua dulce de los lagos, las cianobacterias Microcystis a menudo causan floraciones tóxicas. Se agrupan en colonias: esferas elásticas, similares a una gelatina densa. Las células están pegadas por una sustancia especial a base de carbono, que actúa como un potente pegamento natural.

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.