Kosmopolis

El bestiari elemental

Al contrari de la presentació estàndard de la física de partícules en la seva formulació moderna, aquesta vegada us proposem una aproximació històrica.

Particle tracks. (2010, April 20). Retrieved May 15, 2013, from OCW - Universitat de Barcelona Web site.

Particle tracks. (2010, April 20). Retrieved May 15, 2013, from OCW – Universitat de Barcelona Web site.

«En el buen tiempo viejo, un señor trabajaba un año en un escritorio, haciendo cálculos, y luego enviaba un telegrama a un observatorio: “Dirijan el telescopio a la posición tal y verán un planeta desconocido”. Los planetas eran muy corteses y tomaban lugar donde se les indicaba, como en un ballet bien organizado. Hoy, las partículas atómicas aparecen de súbito y como por escotillón, hacienda piruetas. La física de antaño tenía algo de fiesta de salón con música de Mozart, mientras que ahora parece una feria de diversiones, con salas de espejos, laberintos de sorpresas, tiro al blanco y hombres que pregonan fenómenos.

Y a la astronomía, que era una recatada niña de su hogar, laboriosa y modesta, le ha salido ahora un hermano menor que ensucia la casa, convierte el altillo en polvorín, hace preguntas insoportables e inventa cuentos descabellados».

Ernesto Sabato, «Física escandalosa» d’Uno y el Universo. (1945)

Al contrari de la presentació estàndard de la física de partícules en la seva formulació moderna, aquesta vegada en proposo una aproximació històrica. Al cap i a la fi, una aproximació més humana, amb els seus camins erronis, corregits, reculats, replantejats. De vegades volent-se obrir pas a través de la selva amb l’esperança que el procés científic ens dugui, tard o d’hora, a la veritat. La motivació d’una teoria no s’entén fins que es coneixen les circumstàncies que la van afavorir i la frustració científica de la qual ens pretenia rescatar.

L’objectiu últim de la física de partícules és descobrir les bases primàries sobre les quals se sustenta la naturalesa. El primer pas en aquesta recerca és, evidentment, entendre el que conforma la matèria de la nostra realitat quotidiana a unes energies accessibles. D’aquí que el període clàssic (1897-1932) de la física de partícules abasti el descobriment de l’electró, del protó i del neutró.

A aquesta primera etapa cal afegir-hi també el «descobriment» del fotó, tot i que és complicat adjudicar a una sola persona l’autoria d’aquest descobriment. El que és interessant destacar és la proposició revolucionària de Planck el 1900 que la radiació electromagnètica està quantitzada, és a dir, ve en paquets petits, cosa que fa que eviti la catàstrofe ultraviolada. Encara més arriscada és la hipòtesi d’Einstein el 1905 en afirmar que la quantització és una propietat del camp electromagnètic. Aquesta afirmació va ser difícil d’acceptar per part de la comunitat científica, ja que semblava ser una reculada a la teoria corpuscular de la llum de Newton, en aquells moments ja substituïda per la teoria ondulatòria de la llum, tot i que els resultats experimentals confirmessin la teoria d’Einstein. Aquestes dues aproximacions, l’ondulatòria i la corpuscular, després serien reconciliades en la teoria de la dualitat ona-corpuscle: Tota la matèria presenta característiques tant ondulatòries com corpusculars i es comporta d’una manera o una altra en funció de l’experiment específic.

Així, el que sembla un retrocés en els èxits científics, esdevé innovació. La proposta d’Einstein presenta una nova perspectiva: en contraposició a l’electrodinàmica clàssica en què cada electró contribueix al camp electromagnètic i cada un en respon, en la teoria quàntica de camps, el camp elèctric està quantitzat en forma de fotons i visualitzem la interacció com un intercanvi constant de fotons entre les dues càrregues, cada electró emetent-los i absorbint-los constantment. Les partícules mediadores, els fotons en aquest cas, adopten el paper de «missatgeres» de la interacció.

Tot i que el coneixement generat en aquest primer període era una resposta simple (si bé satisfactòria en aquell moment) a la pregunta «de què està feta la matèria?», va permetre plantar les llavors per a les tres grans idees del període mitjà (1930-1960) de la física de partícules: el mesó de Yukawa, el positró de Dirac i el neutrí de Pauli.

La pregunta immediata al període clàssic va ser «què manté unit el nucli?». La força responsable d’aquesta unió postulada per Yukawa el 1934 va ser la interacció forta. Seguint la mateixa línia de raonament desenvolupada per la interacció electromagnètica, aquesta nova força havia d’estar degudament quantitzada. Yukawa va anomenar els mediadors d’aquesta força pions [1]. La mateixa naturalesa ens va proporcionar la manera d’observar aquestes partícules el 1947: la Terra és bombardejada constantment per partícules a molt altes energies procedents de l’espai exterior que s’anomenen raigs còsmics. Quan aquestes partícules col·lisionen amb els àtoms de l’atmosfera superior, es creen innombrables partícules secundàries que ens plouen al damunt constantment, entre elles els pions.

El nostre coneixement de la física de partícules va ser sacsejat per un nou tornado el 1927: Dirac desenvolupa la descripció d’electrons lliures amb energies relativistes a l’equació que duu el seu nom i troba que, per cada solució d’energia positiva, l’equació n’admetia també una altra d’energia negativa. Més endavant, es van reformular les solucions d’energies negatives com a estats d’energia positiva d’una partícula diferent: el positró, l’antipartícula de l’electró. Aquest dualisme en l’equació de Dirac adquireix un caràcter encara més profund: tota partícula ha de tenir una antipartícula corresponent amb la mateixa massa però càrrega oposada. El 1932 Anderson va descobrir la primera evidència experimental del positró, i el 1955 es van trobar l’antiprotó i al cap d’un any l’antineutró en el Bevatron a Berkeley.

D’aquesta manera, el bestiari de les partícules existents a l’època queda ampliat per les antipartícules corresponents. Les partícules s’han mirat al mirall d’Alícia, i una acompanyant secular ha aparegut per a cada una d’elles.

Alícia travessant el mirall.

Alícia travessant el mirall.

El tercer tremolor del període mitjà es va produir el 1930 amb l’estudi del decaïment nuclear beta. L’espectre experimental d’energia cinètica no era fixa, com s’esperaria d’un decaïment de dos cossos, sinó que varia en un cert rang. Pauli proposa una explicació a aquest fenomen força més raonable que la idea d’abandonar la llei de conservació d’energia i és que en el procés hi ha una altra partícula emesa que no veiem. Aquesta partícula aparentment «invisible» per la seva interacció extremadament feble amb la matèria es dirà neutrí.

Desintegració b_: Un neutró decau en un protó, un electró i un antineutrí electrònic.

Desintegració b_: Un neutró decau en un protó, un electró i un antineutrí electrònic.

Durant un període breu va ser possible creure que els problemes més importants de la física elemental de partícules estaven resolts. Aquesta tranquil·litat de nou va quedar pertorbada a finals del 1947 quan Rochester i Butler van publicar fotografies preses amb la seva càmera de boira, on una nova partícula neutra amb almenys doble massa que el pió apareixia en el fotograma dibuixant una radiografia d’espirals: es va anomenar kaó. Una altra gran quantitat de mesons el van succeir en aparició. Més endavant es van descobrir els barions. En aquells moments, les assignacions mesons (que volia dir «pes mitjà») i barions («pes pesat») no transcendien més enllà d’aquesta classificació segons la massa de les partícules i els modes de decaïment.

Decaïment d’un kaó positiu en el seu vol. Les partícules en què decau es poden veure dibuixant espirals en el camp magnètic d’una cambra de bombolles (CERN).

Decaïment d’un kaó positiu en el seu vol. Les partícules en què decau es poden veure dibuixant espirals en el camp magnètic d’una cambra de bombolles (CERN).

Fins llavors els raigs còsmics havien servit d’excel·lent font gratuïta de partícules elementals a energies molt altes en comparació amb les habituals en la vida quotidiana. Però tenien dos inconvenients: la baixa freqüència amb què aquestes partícules travessen un detector de mida raonable i, encara més important, la manca de control. Cal produir en el laboratori una versió artificial de les col·lisions que s’esdevenien per l’impacte dels raigs còsmics a l’atmosfera, és a dir, dissenyar els nostres propis experiments controlats per accedir a l’estudi de la naturalesa en la seva forma més primigènia. Com descriu Julio Cortázar amb una bella brevetat a Historia de Cronopios y Famas:

Un cronopio pequeñito buscaba la llave de la puerta de la calle en la mesa de luz, la mesa de luz en el dormitorio, el dormitorio en la casa, la casa en la calle. Aquí se detenía el cronopio, pues para salir a la calle precisaba la llave de la puerta.

La primera d’aquestes «claus» va començar a operar el 1952: el primer accelerador modern de partícules, el Cosmotró de Brookhaven. Aviat va ser possible produir en el laboratori aquestes partícules «estranyes» (mesons i barions) que s’havien observat a partir dels raigs còsmics.

Com diu Griffiths a la seva Introducción a las Partículas Elementales, el jardí ordenat del 1947 havia crescut i s’havia convertit en la jungla del 1960. Calia trobar la «taula periòdica» de les partícules elementals: aquesta estructura es va anomenar «The eightfold way» (el camí òctuple, en al·lusió al Noble Camí Óctuple del budisme) (1961-1964) i el Mendeleev de la física de partícules elementals va ser Murray Gell-Mann. Aquesta estructura ordenava els barions i mesons en complexos patrons geomètrics d’acord amb el seu número d’estranyesa i la seva càrrega. Es va produir un esdeveniment meravellós en organitzar els barions en decuplets: nou de les partícules eren conegudes experimentalment, però l’última partícula que completaria el decuplet (la situada a la seva part inferior) encara no s’havia observat. Gell-Mann, en la seva posició de profeta de partícules, va predir que aquella partícula havia de ser descoberta i en va inferir les propietats de la seva posició en el decuplet. El 1964 es va descobrir «omega-minus» (W), tal com Gell-Mann havia predit. Gell-Mann, en certa manera, havia desxifrat el pergamí de L’escarbat d’or que portaria els físics experimentals a descobrir el tresor.

Primera evidència de la partícula «omega-minus» en una cambra de bombolles (Brookhaven National Laboratory).

Primera evidència de la partícula «omega-minus» en una cambra de bombolles (Brookhaven National Laboratory).

Taula periòdica de mesons i barions © Wikimedia Commons, GNU license version 1.2. Authors: Laurascudder, 2007 (Meson octet and Baryon decuplet) and Dr_Eric_Simon, 2006 (Baryon octet).

Taula periòdica de mesons i barions © Wikimedia Commons, GNU license version 1.2. Authors: Laurascudder, 2007 (Meson octet and Baryon decuplet) and Dr_Eric_Simon, 2006 (Baryon octet).

El camí òctuple no era sols una classificació de partícules, sinó que va proporcionar una noció de l’estructura subjacent amb la qual es va iniciar l’era moderna de la física de partícules.

Però, per què els hadrons (mesons i barions) s’havien d’adequar a aquests patrons tan peculiars? L’explicació va venir el 1964, quan Gell-Mann i Zweig van proposar independentment que aquests hadrons estaven formats al seu torn per constituents més elementals: els quarks. Aquests, al seu torn, es poden agrupar triangularment (up, down i strange eren els únics quarks coneguts en aquell moment).

Inspiració que va encoratjar Gell-Mann a anomenar «quarks» els constituents elementals dels hadrons.

Inspiració que va encoratjar Gell-Mann a anomenar «quarks» els constituents elementals dels hadrons.

El model del quark explica que els barions estan formats per tres quarks i els mesons estan formats per un quark i un antiquark. Fent combinacions d’aquests quarks es pot derivar el zoo complet de barions i mesons: el bestiari de partícules «estranyes» s’ha col·locat sota la lupa, i se n’ha descobert la subestructura, com qui s’atura a observar un floc de neu i descobreix en el que és aparentment indivisible l’estructura fractal subjacent.

Tot i presentar certes singularitats difícils d’entendre en aquells moments, com el fet que no puguem veure quarks solitaris («confinament» dels quarks), el model del quark va aconseguir explicar amb èxit la naturalesa d’una nova partícula descoberta al novembre del 1974, el mesó J/psi, que tenia un temps de vida extraordinàriament llarg (mil vegades més llarg que qualsevol altra partícula comparable!). Una propietat com aquesta era un clar indici d’una nova física. En efecte, aquesta nova partícula estava constituïda per un nou tipus de quark que es va anomenar charm (encant). Aquest quark ja havia estat proposat per Bjorken i Glashow anys enrere, atès que en principi s’espera el mateix nombre de leptons que de quarks (recordem que en aquells moments només es coneixien l’electró i el muó amb els seus corresponents neutrins conformant la família de leptons, i up, down, strange conformant la família de quarks). Més endavant es va descobrir el leptó tau i alhora s’hi va sumar el quark «beauty/bottom» el 1977 i el quark «truth/top» el 1995.

No hem d’oblidar que, paral·lelament a la caça dels quarks, altres expedicions s’iniciaven a la cerca dels bosons vectorials intermediaris. En analogia amb el paper del fotó en la interacció electromagnètica, calia un bosó intermediari com a «missatger» de la interacció involucrada en el decaïment beta. Les prediccions de les seves propietats van arribar amb la teoria electrodèbil de Glashow, Weinberg i Salam i els bosons intermediaris de la interacció dèbil es van anomenar W+, W- i Z. Al CERN es va dissenyar la construcció d’un col·lisionador protó-antiprotó (Súper Sincrotró de Protons, SPS) per produir aquestes partícules extremadament pesades en relació amb qualsevol altra partícula produïda fins llavors i va proclamar el descobriment dels bosons W i Z el 1983.

D’aquesta manera, després del descobriment del mesó J/psi, esdeveniment que va rebre el nom de la «revolució de novembre», una allau de noves partícules elementals van completar la taula que ara trobem en qualsevol llibre de física de partícules, una taula perfectament simètrica en quantitat de leptons i quarks.

Fa poc hem estat partícips d’una altra revolució, el descobriment de l’última peça del trencaclosques del model estàndard, el bosó de Higgs, l’animal fantàstic que va jugar a fet i amagar durant cinquanta anys. La recerca de l’«Snark» de la física de partícules va suposar dissenyar el col·lisionador LHC i els seus detectors amb prou enginy i innovació per aconseguir-ne la captura:

«El pots buscar amb didals i també el pots buscar amb cura. El pots perseguir amb forquilles i esperança. El pots amenaçar amb una acció dels ferrocarrils. i el pots cultivar amb somriures i sabó.»
Lewis Carroll a La caça de l’Snark.

Una vegada descobert el bosó de Higgs el passat 4 de juliol de 2012, el mapa del model estàndard sembla complet. Tanmateix, sabem que no és el cas del mapa de la realitat. Fora de l’abast del model estàndard, continuen sense ser resoltes preguntes fonamentals. Una cosa semblant com tenir a les nostres mans el llibre Jabberwocky d’Alícia que només es pot llegir reflectint-lo en un mirall. És el mirall el que falta, i és la seva reflexió el que els físics de partícules persegueixen com la pedra filosofal.

De la història de la física, i en particular de la física de partícules, podem aprendre que sempre ha estat necessària la mirada nova, enfilar-se a l’arbre per veure l’horitzó, viure als arbres com el baró rampant d’Italo Calvino amb l’ambició de descobrir l’estructura fonamental d’una realitat molt més universal que la que vivim aquí i ara.

O com descriu Julio Cortázar a les seves Narraciones y Poemas:

«Con cronopios o sin ellos pero siempre en torno a su mundo de juego, a esa grave ocupación que es jugar cuando se buscan otras puertas. Otros accesos a lo no cotidiano simplemente para embellecer lo cotidiano al iluminarlo bruscamente de otra manera, sacarlo de sus casillas. Definirlo de nuevo y mejor.»

Referències

Griffiths, David. Introduction to Elementary Particles. 1987.

Sabato, Ernesto. Uno y el Universo. 1945.

Cortázar, Julio. Historia de Cronopios y Famas. 1962.

Carroll, Lewis. La caça de l’Snark. 1876.


[1] Avui sabem que l’existència del camp de pions que manté unit el nucli atòmic és només un efecte residual de la veritable força forta que actua sobre els components interns dels hadrons, els quarks, i en aquest cas el gluó és la partícula mediadora de la interacció.

Vegeu comentaris5

  • Guzmán Trinidad | 17 maig 2013

  • admin | 17 maig 2013

  • INÉS JUANICÓ | 20 maig 2013

  • Carolina Rius | 23 maig 2013

  • Tamara Vázquez Schröder | 28 maig 2013

Deixa un comentari