Fenomenología de Altas Energías hep-ph

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 corazón silencioso del cosmos, donde las partículas se encuentran y se separan, surge un acto de pura armonía. Dos bosones de Higgs se unen y, por un breve instante, forman un todo único.

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 acelerador chocan dos partículas de Higgs. Por un instante brevísimo, sus destinos se entrelazan y luego se separan, llevando consigo la información del encuentro.

En el caldo hirviente del universo recién nacido, todas las partículas perdían sus diferencias, como verduras a una temperatura infernal. Recuperar esa receta sencilla es el objetivo de la física moderna. La teoría SO(10) —una extensión del Modelo Estándar— ofrece esa receta.

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.

Dos telescopios miran al mismo universo y ven velocidades diferentes. Las mediciones locales de supernovas dan 73.04 ± 1.04 km/s/Mpc, mientras que los datos de la radiación de fondo de microondas en el modelo estándar predicen 67.36 ± 0.54.

El 9 de octubre de 2022, el cosmos ofreció un espectáculo como los astrónomos no habían visto en toda la historia de las observaciones. El estallido de rayos gamma GRB 221009A, la explosión cósmica más potente que produce un destello de rayos gamma, cegó a los detectores en órbita y en la Tierra. Fue llamado "el más brillante de todos los tiempos".

En los laboratorios de la Tierra, el condensado de Bose-Einstein se obtiene enfriando una nube de átomos hasta millonésimas de kelvin. Los átomos pierden su individualidad y se funden en una única onda cuántica que se comporta como un todo.

El universo tras el Big Bang era casi perfectamente homogéneo. Casi, porque las diminutas inhomogeneidades de densidad, estiradas por la inflación, se convirtieron en semillas de galaxias. Pero, ¿y si esas mismas inhomogeneidades pudieran dar origen no solo a estrellas, sino también a agujeros negros?

Durante mucho tiempo, el agujero negro de la relatividad general fue considerado un espejo perfecto: sin importar qué campos incidieran sobre él, no se deformaba.

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.

Un electrón sale del núcleo de tritio con una energía de 18,57 keV, dejando tras de sí un compañero invisible: el neutrino. Si ese neutrino tiene acceso a una quinta dimensión, su masa se descompone en toda una torre de estados, y cada uno de ellos arranca un pedazo del espectro.

Una cuerda tensa entre dos quarks no se rompe al instante, como una goma elástica. Primero vibra, aparecen nodos en ella, y solo después se rompe, si es que se rompe.

El radiómetro ARCADE2, montado en un globo de gran altitud, detectó un exceso de emisión de radio, y el experimento terrestre EDGES, una depresión anómalamente profunda en el espectro del hidrógeno a 21 cm. Ambas señales no encajan en el modelo cosmológico estándar y apuntan a una fuente desconocida de fotones suaves.

Dos agujeros negros giran en una danza estrecha, y a su alrededor nace algo asombroso: una molécula gravitacional. Una nube de bosones ultraligeros, partículas con masa menor que un electronvoltio, envuelve al par como la nube electrónica en el ion H2+.

Un detector de ondas gravitacionales no solo capta el rumor de las fusiones, sino también el suave chapoteo cuando una estrella o una nube de gas se sumerge en un agujero negro supermasivo.

En el fondo del criostato, bajo capas de bobinas superconductoras, yace una pila de cientos de capas semiconductoras. Cada capa tiene un grosor de varios nanómetros: arseniuro de galio, luego arseniuro de aluminio y galio. Los electrones dentro de estas capas están confinados en el plano, como hormigas sobre una hoja de papel.

Un copo de nieve, al caer de la nube, elige entre su forma izquierda y su forma derecha. La diferencia entre ambas es casi imperceptible, como un soplo de viento, pero es precisamente ese soplo el que decide qué patrón crecerá.

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.

En 1976, Gerard 't Hooft observó que el vacío de una teoría de gauge no es tan sencillo como parece: posee una estructura topológica que se manifiesta en una susceptibilidad topológica no nula.

Un sistema cuántico, una vez que nace, no lo olvida. Incluso después de decenas de tiempos de vida, en su decaimiento queda una huella del estado inicial: una cola potencial que decrece lentamente. Para dos colorantes fluorescentes, eritrosina B y eosina Y, esta cola se ha logrado observar por primera vez en dos canales espectrales a la vez.

La colisión de dos estrellas de neutrones es un impacto que se escucha en todo el universo. Los detectores de ondas gravitacionales captan las ondulaciones del espacio-tiempo, pero el sonido más interesante comienza después del impacto: el remanente de la fusión, una estrella de neutrones hipermasiva que gira vertiginosamente, sigue vibrando y…

Cada noche, en el archivo municipal, el encargado coloca las nuevas carpetas en los estantes. Si durante el día han llegado demasiadas, los estantes se comban y a la mañana siguiente el archivo responde a las solicitudes con más lentitud. Así funciona aproximadamente la memoria de un agujero negro: no solo almacena información, sino que siente físicamente su peso.

Tres ramas de la física —cosmología, física de partículas y física nuclear— han trabajado durante siglos como orillas aisladas.

Ya Vera Rubin descubrió que las estrellas en los bordes de las galaxias se mueven demasiado rápido, como si las sujetara una telaraña invisible. Y Fritz Zwicky fue el primero en sospechar que en los cúmulos de galaxias se esconde una enorme masa invisible.

Los físicos utilizaron un simulador cuántico —un dispositivo que imita el comportamiento de partículas cargadas— para estudiar sus colisiones a energías enormes. Según el Modelo Estándar, las leyes del micromundo, el sistema debería transitar rápidamente al caos, donde la entropía es máxima.

Los rayos cósmicos —partículas con una energía monstruosa— viajan en la oscuridad del espacio intergaláctico. En una colisión frontal, su fuerza puede comprimirse en un agujero negro del tamaño de un átomo.

El Universo temprano estaba lejos de ser perfecto: algunas regiones se estiraban más rápido que otras, creando pliegues y distorsiones. Pero el rebote cuántico —la transición de contracción a expansión, causada por las leyes del micromundo— lo corrige todo.

Momento dipolar medido del tantalio-181: 3,39 × 10⁻³² e·cm — como notar un desplazamiento de un átomo a la escala del Sistema Solar. Un núcleo atómico normal está perfectamente equilibrado, como un trompo giratorio.

La materia oscura es el fundamento invisible del Universo. Vera Rubin demostró su existencia por el movimiento de las estrellas, pero las partículas aún no han sido atrapadas.

La gravedad actúa como un fotógrafo invisible. Cuando un trozo de metal cae, en su interior, según Albert Einstein y el electromagnetismo de James Clerk Maxwell, se genera un campo eléctrico: así, la curvatura del espacio-tiempo se…

En los primeros instantes después del Big Bang, en el universo pudieron formarse objetos muy distintos de las estrellas que conocemos: las estrellas oscuras.

Cuando Edwin Hubble descubrió la expansión del universo, y Vera Rubin la materia oscura, el marco de la cosmología parecía sólido.

Los agujeros negros rara vez están en completo aislamiento. A menudo están envueltos en nubes invisibles de partículas hipotéticas de materia oscura, tan ligeras que solo sienten la interacción gravitatoria, casi sin chocar entre sí ni con la materia ordinaria.

Habitualmente consideramos que el número de dimensiones es constante: largo, ancho, alto. Pero en el mundo cuántico incluso esto puede ser variable. Una nueva teoría describe sistemas donde la dimensión no es una constante, sino una propiedad cuántica que puede ser diferente al mismo tiempo. Un globo en el frío está plano, en el calor, redondo.

En octubre de 2022, el observatorio LHAASO midió el espectro (distribución de energías) del estallido de rayos gamma GRB 221009A, el más brillante jamás registrado. Su luz viajó durante dos mil millones de años y fue tan intensa que perturbó las capas superiores de la atmósfera terrestre.

Los científicos han descrito un nuevo tipo de estrella invisible que se comporta como una lente que respira. Tal estrella está compuesta de partículas bosónicas ultraligeras (aún no descubiertas). Su atracción provoca una curvatura del espacio-tiempo, que es justamente la lente, la cual se expande y contrae rítmicamente, como si respirara.

La materia oscura es el andamiaje invisible del cosmos, cuya existencia fue revelada por los remolinos de galaxias ya por Fritz Zwicky y Vera Rubin. De qué está hecha ha sido un misterio durante medio siglo. Una nueva hipótesis dibuja un panorama inusual.

En la década de 1930, Fritz Zwicky, al observar el cúmulo de Coma, notó velocidades anómalamente altas en las galaxias: su movimiento indicaba la presencia de una enorme masa oculta que mantenía unido gravitacionalmente al sistema.