radiación sincrotrón

Un blanco de gas se parece a un embudo: cuanto más inclinadas son sus paredes, más fuerte es el flujo. Solo que en este embudo no fluye agua, sino luz ultravioleta, que nace cuando un potente pulso láser atraviesa una nube de argón.

La luz que nace cuando un electrón rápido penetra en un material suele considerarse igual en todas direcciones. Pero en cristales donde las propiedades ópticas dependen de la orientación, no es así. Pasa la mano sobre el terciopelo: en un sentido es suave y brillante, en el otro, oscuro y áspero. Del mismo modo, un cristal reacciona a la luz de manera distinta según cómo esté orientado.

En una habitación oscura, salta una chispa entre dos cables y, por un instante, se hace la luz. Los físicos han hecho algo parecido, pero un millón de veces más pequeño: en la frontera de dos cristales transparentes trazaron un camino conductor y dejaron en él una interrupción de unos pocos átomos de ancho. Cuando aplicaron un voltaje constante a esa diminuta brecha, esta comenzó a brillar.

Un láser golpea un átomo y arranca un electrón. Cuanto más brillante es la luz, más fuerte es el empujón y más rápido sale el electrón. Así funciona la imagen habitual, donde la luz es una onda uniforme. Pero, ¿y si la luz no es uniforme, sino 'comprimida', con fluctuaciones cuánticas, como el temblor de una cuerda?

El tirador apunta al blanco, aprieta el gatillo y escucha dos disparos: uno fuerte, otro suave. Así funciona la nueva instalación, solo que en lugar de balas hay un grupo de electrones, y en lugar de disparos, dos destellos de luz. Uno es de rayos X, el otro es terahercio. Vuelan hacia el mismo punto con un intervalo perfecto.

Un rayo láser normal va recto, como la luz de una linterna. Pero la luz se puede retorcer en espiral, como el hilo de un sacacorchos. Ese rayo lleva momento angular orbital: no solo ilumina, sino que también hace girar todo lo que encuentra. Los físicos dirigieron esta luz retorcida hacia un plasma para acelerar electrones.

El tirador apunta al blanco, aprieta el gatillo y escucha dos disparos: uno fuerte, otro suave. Así funciona la nueva instalación, solo que en lugar de balas hay un grupo de electrones, y en lugar de disparos, dos destellos de luz. Uno es de rayos X, el otro es terahercio. Vuelan hacia el mismo punto con un intervalo perfecto.

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.

El haz de un sincrotrón es como un chorro de agua de una manguera: ancho e incómodo para trabajos de precisión. Para examinar una muestra diminuta se necesita una aguja fina, no una manguera.

En julio de 1969, cuando el Apolo 11 volaba hacia la Luna, los astronautas notaron algo inusual: breves destellos de luz que aparecían incluso con los ojos cerrados. Al principio lo atribuyeron al cansancio, pero los destellos se repitieron en distintas tripulaciones.

Dos electrones que salen de la punta de una aguja metálica casi al mismo tiempo comienzan a repelerse, como dos personas que intentan pasar a la vez por una puerta estrecha. Cuanto más cerca están el uno del otro, más se estorban.

Un vórtice en un material magnético es como un remolino, pero en lugar de agua, lo que gira son las direcciones de la magnetización. Un electrón que atraviesa ese vórtice no siente solo un campo magnético, sino una curvatura del espacio: su camino se dobla como si rodara por un embudo con cuello estrecho.

La corona solar es la atmósfera exterior del Sol, calentada a millones de grados. Cómo se calienta no está del todo claro. Uno de los candidatos son las ondas de torsión: retuercen las líneas de campo magnético como si estrujaras una goma elástica.

Un faro que no parpadea cada segundo, sino cada pocos minutos o incluso horas. Así se comportan los radiotransitorios de período largo, fuentes cósmicas descubiertas recientemente. Sus señales son demasiado lentas para los púlsares típicos (estrellas de neutrones que giran rápidamente), pero demasiado potentes para atribuirlas a interferencias aleatorias.

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.

El electrón no es solo un punto. Es una nube de probabilidad extendida en el espacio. Cuando esta nube choca con un intenso pulso láser, puede emitir un fotón de alta energía: un cuanto gamma. Y este fotón puede no ser ordinario, sino retorcido, como un sacacorchos, portando momento angular orbital.

Una cuerda de guitarra pulsada exactamente en el centro solo produce armónicos impares. La misma prohibición se aplica en cristales simétricos: cuando la luz arranca electrones, la radiación resultante contiene solo armónicos impares. Pero los físicos han encontrado una manera de eludir esta restricción. Y sin mover un solo átomo.

Una piedra cae en aguas tranquilas y, sobre la superficie, se extienden anillos perfectos. Si la piedra no solo cae, sino que además gira, aparecen pequeños remolinos: vórtices. La luz sabe hacer lo mismo, solo que en lugar de agua, el medio es el propio espacio-tiempo.

La radioastronomía comenzó con un ruido misterioso captado por la antena de Karl Jansky y con los pulsos rítmicos que Jocelyn Bell Burnell llamó, en su descubrimiento, «hombrecitos verdes».

En 1956, dos radiotelescopios en Jodrell Bank apuntaron a Sirio, captando no imágenes sino el temblor de la intensidad. El experimento de Hanbury Brown y Twiss (HBT) reveló algo sorprendente: las correlaciones de los fotones entrantes cuentan la estadística de la fuente, si es caótica como una lámpara térmica o coherente como un láser.

El enigma de la antimateria en el cosmos ha quitado el sueño a los astrofísicos: ¿de dónde vienen los positrones que se posan como copos de nieve en los detectores? La respuesta podría esconderse en el ubicuo fondo de rayos gamma. El Universo está empapado de luz difusa: el fondo fotónico cósmico (CPB).

Una fina película de un cristal especial, como el disulfuro de molibdeno, reposa sobre la platina del microscopio. La temperatura es ligeramente superior a aquella en la que el material se vuelve superconductor.

Un surfista se desliza sobre la superficie del océano hasta que llega una gran ola, y entonces sale disparado hacia adelante. De manera similar, un electrón libre interactúa con la luz: normalmente el intercambio de energía es apenas perceptible, pero si el medio circundante comienza a cambiar rítmicamente, cada cresta de la onda empuja a la partícula con más fuerza.

Ya Jocelyn Bell Burnell, quien registró por primera vez la estricta periodicidad de las señales de radio, notó que algunos pulsos desaparecían repentinamente. Hoy sabemos que la variabilidad no es un capricho, sino la voz de una electrodinámica compleja.

Una carga que se mueve con aceleración normalmente emite luz — es un hecho cotidiano. Pero los físicos han descubierto que si la carga se desliza por una trayectoria especial, su radiación se comporta de manera diferente.

Un diodo ordinario en electrónica funciona como una carretera de un solo sentido: la corriente solo circula en una dirección. En los superconductores, donde la electricidad fluye sin resistencia, tal comportamiento ha sido difícil de lograr durante mucho tiempo: la corriente suele ser simétrica.

A la luz le gusta la simetría: en un canal abierto fluye igual en ambas direcciones. Para dirigirla hacia uno solo, los físicos suelen usar imanes. Un nuevo enfoque prescinde de ellos, empleando la rotación —a la velocidad de un disco de vinilo— y la interferencia de dos átomos.

Muchos agujeros negros están rodeados de campos magnéticos. Al girar, el agujero arrastra consigo el espacio-tiempo curvado, como un volante de inercia de una máquina, y pone en marcha una fábrica cósmica.

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.

El haz de una linterna dirigido a través de un vidrio esmerilado se convierte en una mancha difusa con cada milímetro adicional de grosor. Algo similar ocurre con los centelleadores: materiales que convierten los rayos X en luz visible. Son la base de las imágenes médicas, la inspección de equipaje y los detectores en aceleradores.

Si tiras una piedra a un estanque, se forman ondas que se expanden en todas direcciones. Ahora imagina que el estanque se convierte de repente en gelatina, y lo hace instantáneamente, más rápido de lo que tarda la onda en completar una cresta.

Un bancal largo y estrecho necesita riego, pero no se puede mover la manguera: solo se puede abrir y cerrar el agua. Si simplemente abres el grifo, el agua sale en un chorro continuo y lo inunda todo de golpe. Pero si mueves la palanca rápidamente, puedes enviar pequeñas porciones de agua, y cada una caerá exactamente en su zona.

La luz solar incide sobre una oblea de silicio y en el circuito aparece una corriente. Es el funcionamiento habitual de una célula fotoeléctrica: la luz expulsa electrones y la unión p-n (la frontera entre dos capas con distinta conductividad) los obliga a moverse en una dirección.

Cuando muchos átomos excitados se reúnen, a menudo disparan luz de manera coordinada, como una multitud que aplaude al unísono. Este fenómeno, conocido desde hace tiempo, se llama superradiancia de Dicke. Pero los autores del nuevo trabajo se preguntaron: ¿qué ocurre si los átomos no son idénticos y cada uno siente a sus vecinos?

La luz de una estrella lejana no es un flujo uniforme. Oscila como una onda y puede vibrar en distintas direcciones. Normalmente estas oscilaciones son indistinguibles, pero un magnetar puede separarlas.

Cuando la luz pasa cerca de un cuerpo masivo como un agujero negro, su trayectoria se curva, un fenómeno predicho por Einstein.

Un carrusel de luz no hace girar a personas, sino a electrones. En lugar de caballitos de madera, hay aspas invisibles hechas de luz. Ese es el «carrusel» que han construido los físicos para dar rotación a los electrones. Normalmente, para enrollar un haz de electrones en un vórtice se necesita una máscara diminuta: una plantilla con ranuras tallada a escala atómica.

El viento solar —una corriente de partículas cargadas proveniente del Sol— choca contra el tenue gas que llena el espacio entre las estrellas. En la colisión nace un débil resplandor de rayos X. Para los astrónomos es como una neblina frente a los faros: les impide distinguir objetos lejanos.

Una linterna brilla a través de una niebla espesa. La luz se dispersa en las gotas de agua y la linterna se ve borrosa. Alrededor de un agujero negro ocurre algo parecido: un gas caliente, como una niebla, lo envuelve, y los rayos X de las partes internas del disco se abren paso a través de esa nube. Solo que aquí las «gotas» son electrones, y la «niebla» en sí se llama corona.

En las profundidades del cosmos, una estrella de neutrones que gira rápidamente, un púlsar apodado Faro, se desplaza a toda velocidad a través del gas enrarecido. Como una lancha que corta el agua, deja tras de sí una estela luminosa de partículas cargadas.