Física de Altas Energías Experimental hep-ex

En Jefferson Lab, los electrones se aceleran hasta 12 GeV y chocan contra protones para arrancarles sus secretos. Pero los detectores actuales se parecen a cámaras con un campo de visión estrecho: o ves mucho pero borroso, o ves nítido pero solo un pedacito.

En el Gran Colisionador de Hadrones, cada segundo nacen millones de chorros, flujos de partículas que emergen de un quark o gluón. Distinguir un chorro de un quark top de un chorro de un quark ordinario es una tarea de la que depende la búsqueda de nueva física.

En un laboratorio oscuro, donde los chips superconductores se enfrían a milésimas de kelvin, un cubit gira bajo la acción de un campo magnético. Un cubit ordinario rota en una dirección. El anticubit, su gemelo especular, rota en la opuesta. Juntos forman un par que percibe el campo con el doble de agudeza que cualquier par ordinario.

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.

En 2016, el detector LHCb del Gran Colisionador de Hadrones registró millones de colisiones protón-protón. Entre los escombros de esas colisiones nacían mesones B neutros, partículas que pueden transformarse espontáneamente en sus antipartículas y viceversa.

Dos muones nacen en la desintegración de un mesón eta y se separan, unidos por el entrelazamiento cuántico. Una experimentadora, Alicia, mide el espín del muón negativo, mientras que otro, Bob, registra la dirección del positrón proveniente de la desintegración del muón positivo. Parecería que el orden de los eventos debería influir en las correlaciones.

Durante 36 días, el ciclón tropical Freddy azotó el océano Índico: el más longevo registrado en la historia. Los meteorólogos lo siguieron con satélites, aviones y estaciones terrestres. Pero un detalle se les escapaba a todos los instrumentos: la densidad exacta del aire en el corazón del vórtice. Y es precisamente eso lo que determina hacia dónde girará el ciclón mañana.

En 1976, el físico canadiense Bill Unruh planteó una pregunta sencilla: ¿qué ve un observador que se acelera en el vacío? La respuesta resultó extraña: el vacío deja de estar vacío. El observador acelerado se baña en radiación térmica con una temperatura proporcional a la aceleración.

En 1936, dos físicos, Werner Heisenberg y Hans Euler, trabajando con las ecuaciones de la electrodinámica cuántica, descubrieron algo extraño. En un campo magnético suficientemente intenso, el vacío debería dejar de ser vacío.

El muón es un diminuto trompo que gira en el turbulento mar del vacío. Su eje magnético apunta ligeramente desviado de lo que predice el Modelo Estándar. La desviación es de apenas unas millonésimas, pero para los físicos es todo un enigma. El vacío no es una calma muerta.

En el laboratorio DESY se puso en marcha el experimento ALPS II para buscar axiones, unas hipotéticas partículas fantasma que podrían formar la materia oscura. Esta masa invisible actúa como un armazón que evita que las galaxias se dispersen debido a la rotación.

La materia oscura constituye el 85% de la materia del Universo, pero permanece invisible. Solo se manifiesta a través de la gravedad. Se puede detectar por el "sonido" cósmico: una vibración tenue que impregna el espacio. Un detector solitario es impotente aquí: la señal es demasiado débil. Los físicos convierten muchos sensores en un conjunto cuántico.

Nuestro Sol emite flujos de neutrinos, partículas que casi no interactúan con la materia. Al atravesar la densa materia solar, cambian de tipo — los científicos llaman a esto «sabor». Es como una voz que cambia al atravesar una multitud: cuanto más denso el entorno, mayor es la distorsión.

La estrella de neutrones es el remanente comprimido de una estrella masiva: su materia está tan densa que una montaña del tamaño de un dedal tendría una densidad colosal.

En un enorme espectrómetro en Karlsruhe, parecido a un gigantesco barril metálico, se capturan partículas que casi no se dejan atrapar. Los neutrinos son los fantasmas del micromundo: cada segundo, billones de estas partículas atraviesan tu cuerpo sin que lo notes. Pero tienen masa, y los científicos quieren medirla.

En una habitación oscura hay un tanque con argón líquido. A veces, una partícula invisible lo atraviesa, choca con el núcleo de un átomo y en el líquido se enciende una luz débil. Con ese destello, los físicos intentan averiguar qué visitante ha llegado.

La materia oscura es invisible, pero según los cálculos es lo que mantiene unidas a las galaxias. Atrapar sus partículas es como escuchar un susurro en una habitación ruidosa: se necesita un material que responda de forma fuerte y evidente al más mínimo empujón.

La materia oscura es una sustancia invisible, cinco veces más abundante en el universo que la materia ordinaria. Sus partículas apenas tocan los átomos, pero de vez en cuando pueden rozar un electrón, como una cuerda acariciada por el viento.

Los neutrinos son las partículas conocidas más esquivas. Cada segundo, billones de neutrinos del Sol atraviesan tu cuerpo sin que lo notes: apenas interactúan con la materia. Para atrapar al menos uno, los físicos construyen detectores gigantescos: piscinas de agua o argón líquido en las profundidades de la Tierra.

En una habitación oscura se puede notar un débil resplandor azul alrededor de algunas fuentes de radiación. Es la luz de Cherenkov: aparece cuando una partícula cargada atraviesa un medio más rápido de lo que la luz se propaga en él. Se forma una onda de choque luminosa, parecida al estampido sónico de un avión supersónico, pero hecha de fotones.

Dos agujeros negros giran uno alrededor del otro, y su danza no siempre se parece a un vals regular. Si los agujeros giran sobre su propio eje, su órbita puede empezar a tambalearse, como una peonza a la que empujan y se inclina hacia un lado sin dejar de girar.

La materia oscura es cinco veces más masiva que la materia ordinaria, pero no emite luz. Su naturaleza es desconocida. Uno de los candidatos son los axiones, partículas ultraligeras. Pueden atravesar el planeta de lado a lado, casi sin notar los átomos.

Dos peonzas se lanzan simultáneamente en direcciones opuestas. Si una gira hacia la izquierda, la otra siempre gira hacia la derecha, sin importar cuán lejos se separen. Así funciona aproximadamente el entrelazamiento cuántico, solo que en lugar de peonzas tenemos quarks top, las partículas más pesadas conocidas.

Dentro de los protones acelerados a casi la velocidad de la luz, a veces nace una partícula más pesada que un átomo de oro: el quark top. Vive fracciones de segundo insignificantes y se desintegra, dejando un rastro en el detector ATLAS.

El agua en una tetera se calienta hasta los cien grados y deja de ser agua para convertirse en vapor. Algo parecido ocurre con los núcleos atómicos cuando se hacen chocar a velocidades enormes en el Gran Colisionador de Hadrones.

La materia oscura es una sustancia invisible que mantiene unidas a las galaxias, pero no emite luz. Atrapar sus partículas es como escuchar un susurro en una sala ruidosa. Los detectores comunes solo oyen los golpes fuertes, mientras que las señales débiles se ahogan entre el ruido.

Una piedrecita cae en un estanque y las ondas se expanden por el agua. Pero a veces la piedrecita no se hunde de inmediato: se desliza bajo la superficie, recorre varios metros y solo entonces emerge, generando ondas en un lugar inesperado.

En lo profundo de un laboratorio subterráneo, un detector del tamaño de una habitación espera un evento que podría ocurrir una vez cada cien mil millones de años. Es la doble desintegración beta sin neutrinos, un proceso que violaría una de las leyes más importantes de la física.

Dentro de un gran acelerador de partículas reina una lluvia invisible de rayos gamma, como si dejáramos una hebra de vidrio bajo una máquina de rayos X encendida durante años. La electrónica convencional falla rápidamente allí, y los datos del detector deben transmitirse al exterior de alguna manera.

El cosmos está lleno de materia oscura invisible que solo se delata por la gravedad. Su existencia fue sospechada por Fritz Zwicky y confirmada por Vera Rubin.

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.

Cada átomo tiene su propia «voz»: la frecuencia de la luz que emite. En los isótopos —átomos con diferente número de neutrones— las voces varían ligeramente. Es como en un coro: si conoces la partitura con exactitud, la más mínima desafinación revela una influencia externa.

Cuando un quark top nace en un detector de partículas, se desintegra inmediatamente en una cascada de otras partículas. Captar en esa cascada un indicio de nueva física es como escuchar un susurro en un concierto de rock. No basta con un buen micrófono: hay que saber restar el estruendo de los amplificadores y el rumor del público.

Dentro del refrigerador que enfría la materia casi hasta el cero absoluto late un corazón mecánico: el tubo de pulsación. Bombea gas y extrae calor, pero junto con el frío trae temblor. Cada latido de ese corazón sacude los instrumentos colocados junto a la muestra y arruina las mediciones delicadas.

Un trozo de germanio del tamaño de una palma puede detectar el paso de una sola partícula de materia oscura. Pero para ello, el cristal debe ser casi perfecto: sin ruido eléctrico, con un campo interno uniforme y contactos que no produzcan chispas a alto voltaje. En el nuevo trabajo se construyó el detector KL01.

Un muón es como un electrón, pero 207 veces más pesado. Cuando entra en la materia, se frena como una bala en un banco de arena y, en cada giro de su trayectoria, emite rayos X. Gracias a esos rayos se puede saber qué átomos ha encontrado el muón: así funciona el método llamado MIXE. Permite ver el interior de un objeto sin desmontarlo, como una radiografía de materiales.

En el detector del Gran Colisionador de Hadrones, después de cada colisión de protones quedan miles de puntos: las trazas de las partículas que se dispersan. Una red neuronal aprendió a ver patrones en este dibujo y a predecir qué ocurrió en el momento del impacto.

El diamante no es solo una joya. Este cristal puede conducir electricidad cuando aparecen portadores de carga libres: electrones y huecos. Pero, ¿qué tan rápido se mueven? En los artículos científicos, las cifras varían decenas de veces. Un laboratorio reporta una velocidad de 1000 cm²/(V·s), otro de 4000.

En el acelerador de partículas de Pekín se hacen colisionar electrones con positrones, y por un instante nace una partícula llamada eta-sub-c. Vive una fracción diminuta de segundo y se desintegra en otras partículas. Uno de los caminos más raros es desintegrarse en dos fotones, las partículas de luz. Hasta ahora nadie podía decir con exactitud con qué frecuencia ocurre esto.