El bestiario elemental

Al contrario de la estándar presentación de la física de partículas en su formulación moderna, esta vez os proponemos una aproximación histórica.

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» de Uno y el Universo. (1945)

Al contrario de la estándar presentación de la física de partículas en su formulación moderna, propongo esta vez una aproximación histórica. Una aproximación a fin de cuentas más humana, con sus caminos erróneos, corregidos, retrocedidos, replanteados. A veces queriéndose abrir paso a través de la selva con la esperanza de que el proceso científico nos lleve, tarde o temprano, a la verdad. La motivación de una teoría no se entiende hasta que se conocen las circunstancias que la favorecieron y la frustración científica de la que nos pretendía rescatar.

El objetivo último de la física de partículas es descubrir las bases primarias sobre las que se sustenta la naturaleza. El primer paso en esa búsqueda es evidentemente entender lo que conforma la materia de nuestra realidad cotidiana a unas energías accesibles. De ahí que el periodo clásico (1897-1932) de la física de partículas abarque el descubrimiento del electrón, del protón y del neutrón.

A esta primera etapa habría que agregar también el «descubrimiento» del fotón, aunque es complicado adjudicar a una sola persona la autoría de ese descubrimiento. Lo que resulta interesante destacar es la proposición revolucionaria de Planck en 1900 de que la radiación electromagnética está cuantizada, es decir, que viene en pequeños paquetes, logrando así evitar la catástrofe ultravioleta. Aún más arriesgada es la hipótesis de Einstein en 1905 al afirmar que la cuantización es una propiedad del campo electromagnético. Esta afirmación fue difícil de aceptar por la comunidad científica, ya que aparentaba ser un retroceso a la teoría corpuscular de la luz de Newton, ya sustituida por entonces por la teoría ondulatoria de la luz, aunque los resultados experimentales estuvieran confirmando la teoría de Einstein. Estas dos aproximaciones, la ondulatoria y la corpuscular, serían después reconciliadas en la teoría de la dualidad onda-corpúsculo: Toda la materia presenta características tanto ondulatorias como corpusculares comportándose de uno u otro modo dependiendo del experimento específico.

Así, lo que parece un retroceso en los logros científicos, se convierte en innovación. La propuesta de Einstein presenta una nueva perspectiva: en contraposición a la electrodinámica clásica donde cada electrón contribuye al campo electromagnético y cada uno responde a él, en la teoría cuántica de campos, el campo eléctrico está cuantizado en forma de fotones y visualizamos la interacción como un intercambio constante de fotones entre las dos cargas, cada electrón emitiéndolos y absorbiéndolos constantemente. Las partículas mediadoras, los fotones en este caso, toman el rol de «mensajeras» de la interacción.

Aunque el conocimiento generado en este primer periodo era una respuesta simple (si bien satisfactoria en ese momento) a la pregunta «¿de qué está hecha la materia?», permitió plantar las semillas para las tres grandes ideas del periodo medio (1930-1960) de la física de partículas: el mesón de Yukawa, el positrón de Dirac y el neutrino de Pauli.

La pregunta inmediata al periodo clásico fue «¿qué mantiene el núcleo unido?». La fuerza responsable de tal unión postulada por Yukawa en 1934 fue la interacción fuerte. Siguiendo la misma línea de razonamiento desarrollada para la interacción electromagnética, esta nueva fuerza debía estar debidamente cuantizada. Yukawa denominó a los mediadores de esta fuerza piones [1]. La propia naturaleza nos proporcionó el modo de observar estas partículas en 1947: la Tierra es constantemente bombardeada por partículas a muy altas energías provenientes del espacio exterior que se denominan rayos cósmicos. Cuando estas partículas colisionan con los átomos de la atmósfera superior, se crean innumerables partículas secundarias que llueven sobre nosotros constantemente, entre ellas los piones.

Nuestro entendimiento de la física de partículas fue sacudido por un nuevo tornado en 1927: Dirac desarrolla la descripción de electrones libres con energías relativistas en la ecuación que lleva su nombre y encuentra que, por cada solución de energía positiva, la ecuación admitía también otra de energía negativa. Más adelante, se reformularon las soluciones de energías negativas como estados de energía positiva de una partícula diferente: el positrón, la antipartícula del electrón. Este dualismo en la ecuación de Dirac adquiere un carácter aún más profundo: toda partícula deber tener una correspondiente antipartícula con la misma masa pero carga opuesta. En 1932 Anderson descubrió la primera evidencia experimental del positrón, y en 1955 el antiprotón y un año más tarde el antineutrón fueron encontrados en el Bevatron en Berkeley.

Así, el bestiario de las partículas existentes en la época se ve ampliado por las correspondientes antipartículas. Las partículas se han mirado en el espejo de Alicia, y una acompañante secular ha aparecido para cada una de ellas.

Alícia travessant el mirall.

Alicia atravesando el espejo.

El tercer temblor del periodo medio ocurrió en 1930 con el estudio del decaimiento nuclear beta. El espectro experimental de energía cinética del electrón no era fija, como se esperaría de un decaimiento de dos cuerpos, sino que varía en un cierto rango. Pauli propone una explicación a este fenómeno bastante más razonable que la idea de abandonar la ley de conservación de energía y es que en el proceso hay otra partícula emitida que no vemos. Esta partícula aparentemente «invisible» por su interacción extremadamente débil con la materia se denominará neutrino.

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

Desintegración b_: Un neutrón decae en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico.

Por un breve periodo fue posible creer que los mayores problemas de la física elemental de partículas estaban resueltos. Esta tranquilidad fue nuevamente perturbada a finales del año 1947 cuando Rochester y Butler publicaron fotografías tomadas en su cámara de niebla, donde una nueva partícula neutra con al menos doble masa que el pión aparecía en el fotograma dibujando una radiografía de espirales: se llamó kaón. Otra gran cantidad de mesones le sucedieron en aparición. Más tarde se descubrieron los bariones. Por entonces las asignaciones mesones (significando de «peso medio») y bariones («peso pesado») no trascendían más allá de esta clasificación según la masa de las partículas y los modos de decaimiento.

Decaimiento de un kaón positivo en su vuelo. Las partículas en las que decae pueden verse dibujando espirales en el campo magnético de una cámara de burbujas (CERN).

Decaimiento de un kaón positivo en su vuelo. Las partículas en las que decae pueden verse dibujando espirales en el campo magnético de una cámara de burbujas (CERN).

Hasta el momento los rayos cósmicos habían servido de excelente fuente gratuita de partículas elementales a energías muy altas en comparación con las habituales en la vida cotidiana. Pero tenían dos inconvenientes: la baja frecuencia con que estas partículas atraviesan un detector de tamaño razonable y, aún más importante, la falta de control. Era necesario producir en el laboratorio una versión artificial de las colisiones que ocurrían por el impacto de los rayos cósmicos en la atmósfera, es decir, diseñar nuestros propios experimentos controlados para acceder al estudio de la naturaleza en su forma más primigenia. Como describe Julio Cortázar en una bella brevedad en 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 de estas «llaves» empezó a operar en 1952: el primer acelerador moderno de partículas, el Cosmotrón de Brookhaven. Pronto fue posible producir en el laboratorio estas partículas «extrañas» (mesones y bariones) que se habían observado a partir de los rayos cósmicos.

Como dice Griffiths en su Introducción a las Partículas Elementales, el jardín ordenado de 1947 había crecido convirtiéndose en la jungla de 1960. Era necesario encontrar la «tabla periódica» de las partículas elementales: esta estructura se denominó «The eightfold way» (el camino óctuple, en alusión al Noble Camino Óctuple del budismo) (1961-1964) y el Mendeleev de la física de partículas elementales fue Murray Gell-Mann. Esta estructura ordenaba los bariones y mesones en complejos patrones geométricos de acuerdo con su número de extrañeza y su carga. Un acontecimiento maravilloso sucedió al organizar los bariones en decupletes: nueve de las partículas eran conocidas experimentalmente, pero la última partícula que completaría el decuplete (la situada en la parte inferior del mismo) no se había observado aún. Gell-Mann, en su posición de profeta de partículas, predijo que esa partícula iba a ser descubierta e infirió sus propiedades de su posición en el decuplete. En 1964 «omega-minus» (W) fue descubierta, tal y como Gell-Mann había predicho. Gell-Mann había en cierta forma descifrado el pergamino de El Escarabajo de Oro que llevaría a los físicos experimentales a descubrir el tesoro.

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

Primera evidencia de la partícula «omega-minus» en una cámara de burbujas (Brookhaven National Laboratory).

Tabla periódica de mesones y bariones © Wikimedia Commons, GNU license version 1.2. Authors: Laurascudder, 2007 (Meson octet and Baryon decuplet) and Dr_Eric_Simon, 2006 (Baryon octet).

Tabla periódica de mesones y bariones © Wikimedia Commons, GNU license version 1.2. Authors: Laurascudder, 2007 (Meson octet and Baryon decuplet) and Dr_Eric_Simon, 2006 (Baryon octet).

El camino óctuple no era solo una clasificación de partículas, sino que proporcionó una noción de la estructura subyacente con la que se inició la era moderna de la física de partículas.

Pero, ¿por qué iban los hadrones (mesones y bariones) a adecuarse a estos patrones tan peculiares? La explicación vino en 1964, cuando Gell-Mann y Zweig propusieron independientemente que estos hadrones estaban compuestos a su vez por constituyentes más elementales: los quarks. Estos, a su vez, se pueden agrupar triangularmente (up, down y strange eran los únicos quarks conocidos en aquel momento).

Inspiración que alentó a Gell-Mann a denominar «quarks» a los constituyentes elementales de los hadrones.

Inspiración que alentó a Gell-Mann a denominar «quarks» a los constituyentes elementales de los hadrones.

El modelo del quark explica que los bariones están formados por tres quarks y los mesones están compuestos por un quark y un antiquark. Haciendo combinaciones de estos quarks se puede derivar el zoo completo de bariones y mesones: el bestiario de partículas «extrañas» se ha colocado bajo la lupa, y se ha descubierto su subestructura, como quien se detiene a observar un copo de nieve y descubre en lo aparentemente indivisible la estructura fractal subyacente.

A pesar de presentar ciertas singularidades difíciles de entender por aquel entonces, como el hecho de que no podamos ver quarks solitarios («confinamiento» de los quarks), el modelo del quark logró explicar exitosamente la naturaleza de una nueva partícula descubierta en noviembre de 1974, el mesón J/psi, que tenía un tiempo de vida extraordinariamente largo (¡mil veces más largo que cualquier otra partícula comparable!). Semejante propiedad era un claro indicio de una nueva física. En efecto, esta nueva partícula estaba constituida por un nuevo tipo de quark al que se denominó charm (encanto). Este quark ya había sido propuesto por Bjorken y Glashow años antes, dado que en principio esperamos el mismo número de leptones que de quarks (recordemos que para ese entonces solo se conocían el electrón y el muón con sus correspondientes neutrinos conformando la familia de leptones, y up, down, strange conformando la familia de quarks). Más adelante el leptón tau fue descubierto, y a la par se sumó el quark «beauty/bottom» en 1977 y el quark «truth/top» en 1995.

No debemos olvidar que paralelamente a la caza de los quarks, otras expediciones se iniciaban en busca de los bosones vectoriales intermediarios. En analogía con el rol del fotón en la interacción electromagnética, era necesario un bosón intermediario como «mensajero» de la interacción involucrada en el decaimiento beta. Las predicciones de sus propiedades llegaron recién con la teoría electrodébil de Glashow, Weinberg y Salam y los bosones intermediarios de la interacción débil se denominaron W+, W- y Z. En el CERN se diseñó la construcción de un colisionador protón-antiprotón (Súper Sincrotrón de Protones, SPS) para producir estas partículas extremadamente pesadas en relación con cualquier otra partícula producida hasta el momento y proclamó el descubrimiento de los bosones W y Z en 1983.

De esta manera, tras el descubrimiento del mesón J/psi, acontecimiento al que se denominó la «revolución de noviembre», una avalancha de nuevas partículas elementales completaron la tabla que ahora encontramos en cualquier libro de física de partículas, una tabla perfectamente simétrica en cantidad de leptones y quarks.

Recientemente hemos sido partícipes de otra revolución, el descubrimiento de la última pieza del rompecabezas del modelo estándar, el bosón de Higgs, el animal fantástico que jugó a las escondidas durante cincuenta años. La búsqueda del «Snark» de la física de partículas supuso diseñar el colisionador LHC y sus detectores con suficiente ingenio e innovación para lograr su captura:

«Puedes buscarlo con dedales y buscarlo también con cuidado. Puedes perseguirlo con tenedores y esperanza. Puedes amenazarlo con una acción de los ferrocarriles y puedes cultivarlo con sonrisas y jabón.»
Lewis Carroll en La Caza del Snark

Una vez descubierto el bosón de Higgs el pasado 4 de julio de 2012, el mapa del modelo estándar parece completo. Sin embargo, sabemos que no es el caso del mapa de la realidad. Fuera del alcance del modelo estándar, preguntas fundamentales siguen sin ser resueltas. Algo así como tener en nuestras manos el libro Galimatazo de Alicia que solo se puede leer reflejándolo en un espejo. Es el espejo el que falta, y es su reflexión lo que los físicos de partículas persiguen como a la piedra filosofal.

De la historia de la física, y en particular de la física de partículas, podemos aprender que siempre ha sido necesaria la mirada nueva, subirse al árbol para otear el horizonte, vivir en los árboles como el barón rampante de Italo Calvino con la ambición de descubrir la estructura fundamental de una realidad mucho más universal de la que vivimos aquí y ahora.

O como describe Julio Cortázar en sus 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.»

Referencias

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 Caza del Snark. 1876.


[1] Hoy sabemos que la existencia del campo de piones que mantiene unido el núcleo atómico es solo un efecto residual de la verdadera fuerza fuerte que actúa sobre los componentes internos de los hadrones, los quarks, siendo en este caso el gluón la partícula mediadora de la interacción.

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  • Guzmán Trinidad | 17 mayo 2013

  • admin | 17 mayo 2013

  • INÉS JUANICÓ | 20 mayo 2013

  • Carolina Rius | 23 mayo 2013

  • Tamara Vázquez Schröder | 28 mayo 2013

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