Ilustración de la aniquilación de partículas que crea antimateria en forma de antihelio (Crédito de la imagen: W. M. Keck Observatory/Adam Makarenko).
Todo en el universo está, literalmente, construido sobre partículas, desde las partículas fundamentales que construyen los átomos que componen todo lo que vemos a nuestro alrededor hasta las exóticas que dan lugar a fenómenos esquivos como la antimateria y la materia oscura. Las primeras nos ayudan a observar y manipular nuestro mundo, mientras que las segundas nos ayudan a comprenderlo, insinuando profundos misterios en torno a la creación, evolución y estructura del universo.
Sin embargo, cuando se trata de física de partículas, gran parte de la acción tiene lugar en aceleradores gigantes que hacen chocar partículas a la velocidad de la luz. A veces, estos aceleradores están construidos por el hombre y, por tanto, viven en la Tierra; otras veces, son de tipo cósmico y existen en el espacio profundo.
De hecho, en los últimos 12 meses ha habido mucha acción de partículas emocionante en la Tierra y en el espacio, y comenzamos nuestro resumen de las historias de física de partículas de 2024 con noticias que suenan más a ciencia ficción.
El año que aprendimos a mover la antimateria
Ningún material es más volátil que la antimateria, que está formada por partículas de igual masa pero carga opuesta a la materia normal, por lo que existen cosas como los antiprotones y los positrones, que son la versión antimateria de los electrones. Coloca una partícula de antimateria junto a una de materia normal y se aniquilarán mutuamente, al instante, en un estallido de energía.
En la ciencia ficción, la antimateria se presenta como una fuente de energía sin parangón, que impulsa naves estelares y estalla en forma de bombas. En la realidad científica, el simple hecho de poder mover la antimateria sin que entre en contacto con la materia normal y se aniquile ha resultado ser todo un reto, pero los científicos del CERN creen que por fin han descubierto la manera de hacerlo y, lo que es más, lo están poniendo a prueba.
Un reportaje en Nature, publicado el 26 de noviembre de 2024, describe cómo dos equipos de investigadores compiten por ser los primeros en mover antimateria, con la esperanza de transportar inicialmente antiprotones a través del CERN como prueba de concepto antes de llevar finalmente las partículas a cientos de kilómetros de distancia, a un laboratorio especializado de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf, donde se podrán examinar más de cerca sus enigmáticas propiedades. Para mover la antimateria, los equipos construyeron contenedores que generan campos electromagnéticos a partir de imanes superconductores para mantener la antimateria en su sitio, y en el vacío, sin que toque nada.
La antimateria es escasa y cara, y no se puede producir sin más. Si bien hay antimateria en el espacio -como veremos, nos visita en forma de rayos cósmicos-, en la Tierra los científicos sólo han podido producir alrededor de 20 milmillonésimas de gramo de antimateria. Fabricar un solo gramo costaría billones. Así que lo mejor es compartir las pocas partículas de antimateria que podemos fabricar en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN.
En definitiva, puede que no estemos preparados para construir pronto naves espaciales propulsadas por antimateria, pero su transporte permitirá a los físicos indagar en los secretos de la antimateria, entre ellos por qué hay tan poca en el universo.
El año en que batimos el récord de la partícula de antimateria más pesada… ¡dos veces!
La mayoría de las partículas de antimateria creadas en aceleradores de partículas han sido bastante simples: antiprotones, positrones, antitritio y antihelio… ese tipo de cosas. Sin embargo, en los experimentos realizados en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) de Nueva York y en el Gran Colisionador de Hadrones, los científicos han logrado este año crear partículas «hiper» de antimateria.
El «hiper» es la abreviatura de hiperón. Consideremos una partícula como el protón, que está formada por tres partículas aún más pequeñas llamadas quarks. Un protón tiene dos quarks «up» y un quark «down» (estos nombres sólo sirven para diferenciar los distintos tipos de quark; en realidad no tienen nada de «up» ni de «down»). Por el contrario, un neutrón está formado por un quark «up» y dos quarks «down». En comparación, los hiperones presentan un tipo de quark llamado «extraño» junto a los quarks up y down. Cuando los hiperones se incorporan a los núcleos atómicos normales, éstos se hacen más pesados que sus homólogos normales. Además, también existen versiones antimateria.
A principios de este año, los investigadores lograron producir en el RHIC antihiperhidrógeno-4, que contiene un antiprotón, dos antineutrones y un antihiperón. Unos meses más tarde, el instrumento ALICE (A Large Ion Collider Experiment) del LHC detectó una antipartícula aún más pesada, el antihiperhelio-4, formado por dos antiprotones, un antineutrón y un antihiperón. El antihiperhidrógeno-4 y el antihiperhelio-4 son las antipartículas más masivas jamás creadas en un laboratorio.
Los físicos descubrieron que las colisiones de partículas pesadas en el RHIC y el LHC que formaron estas antihiperpartículas crearon cantidades iguales de materia y antimateria. Esto podría parecer poco sorprendente, hasta que miramos alrededor del universo y vemos un cosmos lleno de materia normal y apenas antimateria. Por qué el universo creó más materia que antimateria en el Big Bang es un misterio: si las dos son perfectamente simétricas, ¿no debería haber la misma cantidad de ambas? Sin embargo, esta asimetría parece ser positiva. Si recordamos, cantidades iguales de materia normal y antimateria se habrían aniquilado completamente, dejando el universo lleno de fotones de energía liberados por la aniquilación.
Eso significaría que no habría estrellas, ni planetas, ni vida.
Al producir cantidades iguales de materia y antimateria, los experimentos del RHIC y del LHC no han hecho más que profundizar el misterio de la asimetría materia-antimateria en el universo y de por qué el Big Bang favoreció a la materia en detrimento de la antimateria. Aun así, poco a poco nos vamos acercando a la verdad.
Una ilustración de la aniquilación de partículas que crea antimateria en forma de antihelio Crédito de la imagen: CERN. (Crédito de la imagen: Janik Ditzel para la colaboración ALICE)
¿El año en que relacionamos la antimateria con la materia oscura?
Como ya hemos mencionado, la antimateria no sólo se genera en los aceleradores de partículas de la Tierra, sino que también procede de procesos energéticos en el espacio que lanzan hacia nosotros partículas cargadas de materia y antimateria en forma de rayos cósmicos. Se trata de partículas que se desplazan casi a la velocidad de la luz y se cree que son producidas por algunos de los objetos más violentos y magnéticos del universo: restos de supernovas, agujeros negros activos, etc.
Debido a la asimetría observada entre materia y antimateria, la mayoría de estos rayos cósmicos están hechos de materia, pero algunos están formados de antimateria. El problema es que hemos detectado más rayos cósmicos de antimateria de los que podemos explicar fácilmente.
A bordo de la Estación Espacial Internacional hay un experimento llamado Espectrómetro Magnético Alfa, o AMS-02, que detecta rayos cósmicos. El AMS-02 ha detectado cantidades sorprendentes de antimateria en estos rayos cósmicos, con abundancias significativas de anti-hidrógeno-2, anti-helio-3 y anti-helio-4 detectadas por el AMS-02.
Una nueva explicación propuesta en 2024 es que estas antipartículas están siendo producidas por la materia oscura.
Nadie sabe de qué está hecha la materia oscura. Todo lo que sabemos es que es un material invisible que constituye el 85% de toda la materia del universo. La única forma de saber que está ahí es a través de su gravedad.
Algunos modelos de materia oscura predicen que podría estar formada por un tipo de partícula llamada WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Ocasionalmente, una WIMP podría interactuar con otra WIMP, sobre todo cerca del corazón de la Vía Láctea, o Centro Galáctico, donde la densidad de materia oscura es máxima. Si se produce esa interacción, las WIMP podrían aniquilarse mutuamente, produciendo una lluvia de otras partículas en el proceso, incluida la antimateria.
La cantidad de anti-helio-2 detectada por el AMS-02 coincide con lo que los modelos predicen que debería resultar de la aniquilación WIMP. Sin embargo, las abundancias observadas de anti-helio-3 y -4 en los rayos cósmicos son tan grandes que resultan mucho más difíciles de explicar. Esto puede significar que nuestros modelos que describen cómo interactúan las WIMP son erróneos o incompletos, o posiblemente que las WIMP no existen en absoluto – pero entonces, ¿de dónde viene la antimateria? A finales de 2024, es un enigma que aún no se ha resuelto.
El año que chocaron cúmulos de galaxias reveló el movimiento de la materia oscura
Uno de los mejores lugares para medir las posibles interacciones de la materia oscura son los cúmulos de galaxias. Un cúmulo de galaxias contiene enormes cantidades de materia oscura, gas caliente y galaxias variadas, todo ello envuelto en un volumen ligado gravitatoriamente de millones de años luz de diámetro. Cuando dos cúmulos de galaxias colisionan, el choque es titánico, y una investigación realizada a principios de este año nos ha proporcionado la imagen más detallada de una colisión de este tipo.
Durante la colisión, las galaxias navegaron en su mayor parte, ya que las distancias entre ellas son generalmente demasiado grandes para que se produzcan choques. Sin embargo, las enormes nubes de gas que llenan cada cúmulo consiguen chocar entre sí, emitiendo rayos X debido a su alta temperatura. Como las nubes de gas se obstaculizan mutuamente, tampoco llegan muy lejos en la colisión.
En otras palabras, sabemos de dónde procede el gas caliente detectando los rayos X, y podemos ver dónde están las galaxias con sólo mirar. En cuanto a la materia oscura, podemos deducir dónde se encuentra observando cómo su gravedad deforma el espacio, creando así lentes gravitatorias.
Si la materia oscura no interactúa en absoluto, debería encontrarse junto a las galaxias en la colisión, habiendo pasado limpiamente a través de ellas; si interactúa en una cantidad significativa, esperaríamos verla más cerca del gas caliente. Y si sólo interactúa un poco, se encontraría a medio camino entre las galaxias y el gas.
El problema es que sólo vemos instantáneas de estas colisiones entre cúmulos de galaxias. Las colisiones se producen a lo largo de cientos de millones de años, por lo que no podemos ver el movimiento de los cúmulos y sólo vemos cada colisión desde un ángulo que puede no ser el mejor. Discernir dónde se encuentran los tres componentes en relación con los demás en una colisión es, por tanto, más difícil de lo que podría parecer.
Los astrónomos han sido testigos de muchas colisiones de cúmulos de galaxias, siendo el más famoso el Cúmulo de la Bala. Vimos el Cúmulo de la Bala desde un punto de vista lateral, lo que dificulta la medición de los movimientos de los componentes porque necesitamos medir su desplazamiento Doppler, que requiere una alineación frontal.
En 2024, eso es lo que pudieron hacer los astrónomos, con la colisión del cúmulo de galaxias conocido como MACS J0018.5+1626, situado a 5.000 millones de años luz. Los astrónomos descubrieron que, efectivamente, la materia oscura se había desacoplado del gas caliente en colisión y que se movía a 10,8 millones de kilómetros (6,7 millones de millas) por hora, lo que equivale aproximadamente al 1% de la velocidad de la luz. Los hallazgos sugieren que no hay mucha interacción entre las partículas de materia oscura del cúmulo y cualquier otra partícula, aunque las mediciones no son lo suficientemente precisas como para decir si hay una pequeña cantidad de interacción o no.
Esta ambigüedad sigue dejando la puerta abierta a muchas posibilidades para la identidad de la materia oscura.
El año en que empezamos a esperar que una supernova revele la verdad sobre la materia oscura
Los WIMPs han sido el principal candidato para la materia oscura durante años, pero están empezando a caer un poco en desgracia, ya que los experimentos no han logrado detectarlos. Un nuevo competidor ha surgido para desafiar a las WIMPs en la forma de una partícula hipotética llamada axión.
Hay buenas razones para creer que los axiones podrían ser reales. Están predichos por la teoría de la cromodinámica cuántica, que trata de cómo la fuerza fuerte une los quarks para formar protones y neutrones (e hiperones). También ocurre que los axiones son un buen candidato para la materia oscura. Sin embargo, por desgracia nadie ha detectado nunca un axión.
En 2024, los científicos revelaron una forma en que podríamos hacer posible esa detección, pero requiere cierto grado de suerte y una sincronización perfecta.
Según la nueva investigación, el colapso del núcleo de una estrella masiva cuando llega al final de su vida y se convierte en una estrella de neutrones durante la explosión de una supernova podría crear axiones en abundancia en los primeros 10 segundos de esa explosión. A diferencia de los WIMPS, los axiones no son selectivos a la hora de interactuar, y un campo electromagnético potente, como el intenso campo magnético de una estrella masiva moribunda, podría convertir los axiones en fotones de rayos gamma que luego podríamos detectar.
Esto está bien en principio, pero es un reto en la realidad, dicen los investigadores. Por un lado, los rayos gamma serían relativamente débiles, por lo que necesitaríamos una supernova cerca de nosotros, en nuestra Vía Láctea o en una de nuestras galaxias satélite, como la Gran Nube de Magallanes, para detectarlos. Se prevé que una supernova explote en la Vía Láctea una vez cada 50 años por término medio, pero la última que se observó en el cielo fue en 1604 (aunque en 1987 se vio una en la Gran Nube de Magallanes). Desde entonces, todas las demás supernovas galácticas han explotado o bien en el lado de nuestra galaxia que no podemos ver, o bien cerca del agujero negro supermasivo central de nuestra galaxia, donde el polvo y el gas envuelven la explosión.
Tal vez nos espere uno en el cielo nocturno, pero el otro truco es que tendríamos que estar mirando justo hacia él durante los 10 primeros segundos de la explosión para captar los rayos gamma – y como no sabemos dónde explotaría y, por tanto, hacia dónde apuntar nuestros telescopios, eso deja mucho al azar. El campo de visión del telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA le da una posibilidad entre 10 de mirar en la dirección correcta en el momento adecuado. Para asegurarse de que no nos perdemos nada, los investigadores proponen una nueva constelación de satélites de rayos gamma, a la que llaman Instrumento Galáctico de Axiones para Supernovas, o GALAXIS, que cubriría todo el cielo 24 horas al día, 7 días a la semana, esperando y vigilando.
Si GALAXIS detectara una señal de rayos gamma, significaría que la materia oscura está probablemente hecha de axiones, y eso descartaría nuestra próxima historia de materia oscura de 2024.
¿El año en que supimos de un «Big Bang oscuro»?
Comprender cómo se creó originalmente la materia oscura podría decirnos más sobre lo que es. Una nueva teoría, de Katherine Freese y Martin Winkler, de la Universidad de Texas en Austin, describe un «Big Bang oscuro» que produjo partículas de materia oscura después del Big Bang real que creó nuestro universo en expansión. Freese y Winkler señalaron que, si bien podemos deducir la creación de materia normal en el Big Bang, las pruebas de la existencia de materia oscura sólo aparecen a través de su efecto gravitatorio. ¿Y si se formó más tarde? Aquí es donde entra en juego el Big Bang Oscuro.
Es un nombre algo exagerado, pero describe cómo un campo de energía cósmica puede haber sufrido efectos cuánticos que provocaron transiciones dentro de este campo, y la diferencia de energía entre las transiciones se convirtió en partículas de materia oscura. La clave del Big Bang oscuro es que predice partículas de materia oscura que no interactúan en absoluto (salvo a través de la gravedad), lo que descartaría los axiones y las WIMP.
Partiendo de esta base, dos investigadores de la Universidad Colgate de Nueva York han demostrado que las partículas de materia oscura formadas a partir de un Big Bang oscuro crearían ondas gravitacionales que aún resonarían en el universo actual. Estas ondas gravitacionales podrían ser detectadas por conjuntos de pulsares. Se trata del concepto de que las ondas gravitacionales que pasan entre nosotros y un púlsar podrían alterar la sincronización de los pulsos de radio de un púlsar. El primer sistema de cronometraje de púlsares, denominado NANOGrav (Observatorio Norteamericano de Nanohercios para Ondas Gravitacionales), ha encontrado recientemente indicios de la existencia de un fondo cósmico de ondas gravitacionales. Los investigadores Richard Casey y Cosmin Ilie sugieren que estas ondas gravitacionales podrían haber sido producidas por el Big Bang oscuro, pero aún queda mucho camino por recorrer para confirmar los hallazgos de NANOGrav.
El año que aprendimos sobre la corta vida de los neutrones
El gigantesco experimento del Solenoide Compacto de Muones en el LHC. Los diferentes anillos de detectores, dispuestos un poco como una cebolla, miden diferentes partículas, y midieron la masa del bosón W. (Crédito de la imagen: CERN/Maximilien Brice)Los neutrones y protones son los componentes básicos de los átomos que forman todo lo que nos rodea. Por lo que sabemos, los protones pueden vivir eternamente (y si se desintegran, será dentro de la friolera de un billón de billones de billones de años, o algo así).
Por otra parte, mientras que los neutrones son perfectamente estables cuando están encerrados en los núcleos atómicos junto a los protones, no se comportan bien por sí solos fuera de los núcleos atómicos. Duran unos 15 minutos antes de desintegrarse.
El problema es el «acerca de». Los físicos utilizan dos técnicas diferentes para medir el tiempo de vida de un neutrón, y aunque ambas técnicas dan una medida de unos 15 minutos, hay una diferencia consistente de 8 segundos entre los dos métodos.
Esta diferencia ha desconcertado a los físicos porque no veían ninguna razón obvia para ello, pero en 2024 científicos austriacos desarrollaron una explicación. Sugirieron que los neutrones libres no están todos en el mismo nivel de energía cuando se producen, y que los neutrones excitados tardarían un tiempo ligeramente diferente en desintegrarse que los neutrones en su nivel de energía más bajo posible. Las distintas técnicas para medir el tiempo de vida de los neutrones darían entonces respuestas diferentes porque una favorece a los neutrones en estado excitado frente a los que se encuentran en su nivel energético más bajo.
El año que vimos la desintegración radiactiva en acción
Cuando los átomos radiactivos -también conocidos como radioisótopos- se desintegran, liberan partículas que reducen su masa y los hacen estables. Por ejemplo, pueden expulsar partículas alfa, que son núcleos de helio, o pueden escupir electrones en un proceso llamado desintegración beta.
Los científicos conocen la desintegración alfa y beta desde hace más de un siglo, pero nunca habíamos visto realmente el momento de la desintegración, hasta el año 2024. Un equipo de físicos de Estados Unidos ideó un ingenioso experimento que les permitió observar el retroceso impartido por una partícula alfa que se escapaba. ¿Cómo lo hicieron? En primer lugar, adhirieron núcleos de plomo-212 a un trozo de sílice de apenas una micra (la millonésima parte de un metro) de tamaño. A continuación, hicieron levitar la sílice con unas pinzas ópticas. El plomo-212 tiene una vida media de poco más de diez horas y media, lo que significa que la mitad de cualquier cantidad de plomo-212 se habrá desintegrado, por término medio, en ese tiempo. Por tanto, si se colocaran cuatro núcleos de plomo-212 sobre la sílice, cabría esperar que dos de los núcleos se desintegraran en plomo-208, más estable, cada diez horas y media.
Cuando el plomo-212 se desintegra, la partícula alfa que escapa hace retroceder el isótopo y, por tanto, la sílice a la que está unido el núcleo de plomo. Este retroceso se detectó observando un cambio en la forma en que la luz se dispersaba en la sílice, lo que permitió a los físicos identificar el momento exacto en que un núcleo se desintegraba. En cierto modo, la técnica es un nuevo tipo de detector de partículas, y algún día podría utilizarse para medir productos de desintegración más elusivos, como los neutrinos, o incluso la materia oscura.
El año en que resolvimos el misterio del bosón W para decepción de todos
Este fue un resultado que los científicos realmente no querían.
Los bosones W son portadores de la fuerza débil, que controla la desintegración radiactiva de las partículas alfa. El Modelo Estándar de la física de partículas predice que los bosones W deberían tener una masa de 80.357 ± 6 MeV, pero anteriormente los investigadores del acelerador de partículas tevatrón del Fermilab en Illinois habían medido que la masa era de 80.433 ± 9 MeV, más allá del rango del Modelo Estándar.
¿Es una señal de nueva física más allá del Modelo Estándar?
Un bosón W más masivo encajaría bien con una teoría llamada Supersimetría, que postula que cada partícula tiene una «superpartícula» mucho más masiva. Si la materia oscura está formada por WIMPs, encajaría bien con la Supersimetría.
Pero no fue así. En 2024, el instrumento Compact Muon Solenoid del LHC confirmó que la masa del bosón W era de 80.360,2 ± 9,9 MeV, muy dentro del rango predicho por el Modelo Estándar. Esta masa equivale a 1,25 x 10^-25 kilogramos. ¡Qué pequeño!
Así pues, los físicos de partículas se fueron decepcionados al ver que sus sueños de romper con el Modelo Estándar se habían quedado en nada, al menos por ahora. Sin embargo, no todo son malas noticias: los científicos pueden utilizar la masa más precisa del bosón W como prueba de la fuerza del campo de Higgs.
El año en que nos despedimos de Peter Higgs
Peter Higgs, fallecido a los 94 años en abril de 2024, frente a una fotografía del Gran Colisionador de Hadrones en la exposición ‘Collider’ del Museo de la Ciencia el 12 de noviembre de 2013 en Londres. (Crédito de la imagen: Peter Macdiarmid/Getty Images)
El 8 de abril de 2024, el físico británico Peter Higgs murió a los 94 años. Higgs fue famoso por su trabajo prediciendo la existencia del bosón de Higgs, portador del campo de Higgs, y que fue descubierto por el Gran Colisionador de Hadrones en 2012. El campo de Higgs es lo que da masa a todas las partículas cuando se mueven a través del campo: algunas partículas pueden saltar a través de él y, por lo tanto, son ligeras, como los neutrinos o los electrones, mientras que para otras partículas es como vadear la melaza, por lo que tienen más masa. Tras el descubrimiento, Higgs ganó el Premio Nobel de Física en 2013.
