La partícula divina (55 page)

Todos los hadrones están formados por quarks, a veces tres y a veces dos, según el modelo de quarks. Hay dos clases de hadrones: los bariones y los mesones. Los bariones, que son parientes de los protones y los neutrones, están hechos con tres quarks. Los mesones, entre los que están los piones y los kaones, constan de dos quarks, pero ha de tratarse de un quark combinado con un antiquark. Un ejemplo es el pión positivo (π
⁺
), que es
u
d
. La carga es +2/3 +1/3, que es igual a 1. (Obsérvese que el d barra, el quark
antidown
, tiene una carga de +1/3.)

Al urdir esta primera hipótesis, los números cuánticos de los quarks, y propiedades como el espín, la carga, el isoespín y otras, se fijaron de manera que se explicasen sólo unos pocos de los bariones (el protón, el neutrón, la lambda y algunos más) y los mesones. Se vio entonces que esos números y otras combinaciones pertinentes casaban con los cientos de hadrones que se conocían, sin excepciones. ¡Funcionaba siempre! Y todas las propiedades de un compuesto —un protón, por ejemplo— quedaban subsumidas en las de los quarks constituyentes, moderadas por el hecho de que interaccionan íntimamente entre sí. Por lo menos, esa es la idea y la tarea de generaciones de teóricos y generaciones de ordenadores, dado, por supuesto, que se les proporcionen los datos.

Las combinaciones de quarks suscitan una cuestión interesante. Es un rasgo humano el de comportarse de forma diferente cuando se está en compañía. Pero, como veremos, los quarks nunca están solos, así que sus propiedades sin modificar sólo pueden deducirse de la variedad de condiciones en las que los observamos. En cualquier caso, he aquí algunas combinaciones típicas de quarks y los hadrones que producen:

Los físicos se vanagloriaron de este éxito espectacular de reducir cientos de objetos que parecían básicos a compuestos de sólo tres variedades de quarks. (La palabra «ases» cayó en desuso; nadie puede competir con Gell-Mann en lo que se refiere a poner nombres.) La prueba de una buena teoría es si puede
predecir
, y la hipótesis de los quarks, cauta o no, tuvo un éxito brillante. Por ejemplo, la combinación de tres quarks extraños,
sss
, no estaba en el registro de partículas descubiertas, pero ello no nos privó de darle un nombre: omega menos (
Ω
⁻
). Como las partículas que contenían el quark extraño tenían propiedades establecidas, las propiedades de un hadrón con tres quarks extraños,
sss
, también eran predecibles. La omega menos era una partícula muy extraña, y su huella, espectacular. En 1964 se la descubrió en la cámara de burbujas de Brookhaven y era exactamente como el doctor Gell-Mann había predicho.

No se zanjaron todos los problemas, ni de largo. Montones de preguntas; de aperitivo: ¿cómo se mantienen juntos los quarks? Esa interacción fuerte sería el objeto de miles de artículos teóricos y experimentales a lo largo de los treinta años siguientes. Con el trabalenguas «cromodinámica cuántica» por título, se propondría una nueva cepa de partículas mensajeras, los gluones, la argamasa (¡!) que mantiene unidos a los quarks. Todo a su tiempo.

En la física clásica hay tres grandes leyes de conservación: de la energía, del momento lineal y del momento angular. Se ha mostrado que están profundamente relacionadas con los conceptos de espacio y de tiempo, como veremos en el capítulo 8. La teoría cuántica introdujo un gran número de magnitudes adicionales que se conservan; es decir, que no cambian durante una serie de procesos subnucleares, nucleares y atómicos. Los ejemplos son la carga eléctrica, la paridad y un enjambre de nuevas propiedades: el isoespín, la extrañeza, el número bariónico, el número leptónico. Ya sabemos que las fuerzas de la naturaleza difieren en el respeto que les tienen a diferentes leyes de conservación; por ejemplo, las interacciones fuerte y electromagnética respetan la paridad, pero no lo hace la interacción débil.

Para probar una ley de conservación se examina un número enorme de reacciones en las que pueda determinarse antes y después de la reacción una propiedad concreta, la carga eléctrica, por ejemplo. Recordemos que la conservación de la energía y la del momento se establecieron tan firmemente que, cuando pareció que ciertos procesos las violaban, se presupuso la existencia del neutrino a modo de mecanismo que las rescatase, y se acertó. Otros indicios de la existencia de una ley de conservación guardan relación con que ciertas reacciones no tengan lugar. Por ejemplo, un electrón no se desintegra en dos neutrinos porque ello violaría la conservación de la carga. Otro ejemplo es la desintegración del protón. Recordad que no se produce. A los protones se les asigna un número bariónico que, en última instancia, deriva de su estructura de trío de quarks. Así, los protones, los neutrones, los lambdas, los sigmas y demás —todos los tríos de quarks— tienen un número bariónico que es +1. Las antipartículas correspondientes tienen por número bariónico −1. Todos los mesones, los vehículos de la fuerza, y los leptones tienen un número bariónico 0. Si el número bariónico se conserva estrictamente, el barión más ligero, el protón, no podrá desintegrarse nunca, pues todos los candidatos a productos de la reacción más ligeros que él tienen un número bariónico 0. Por supuesto, una colisión de un protón y un antiprotón tiene un número bariónico total 0 y puede producir lo que sea. De esta forma, el número bariónico «explica» que el protón sea estable. El neutrón, que se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino, y el protón dentro del núcleo, que puede desintegrarse en un neutrón, un positrón y un neutrino, conservan el número bariónico.

Apiadaos del tipo que viva para siempre. El protón no puede desintegrarse en piones porque se violaría la conservación del número bariónico. No puede desintegrarse en un neutrón, un positrón y un neutrino a causa de la conservación de la energía. No puede desintegrarse en neutrinos o fotones a causa de la conservación de la carga. Hay más leyes de conservación, y nos parece que son ellas las que conforman el mundo. Como debería ser obvio, si el protón se desintegrase, amenazaría nuestra existencia. Claro está, eso depende de la vida media del protón. Como el universo tiene unos quince mil millones de años o así, una vida media mucho mayor no afectaría demasiado al destino de la República.

Sin embargo, unas teorías de campo unificadas nuevas predijeron que el número bariónico no se conserva de forma estricta. Esta predicción ha dado lugar a unos esfuerzos impresionantes por detectar la desintegración del protón, hasta ahora sin éxito. Pero esto ilustra la existencia de leyes de conservación aproximadas. La paridad era un ejemplo. La extrañeza se ideó para entender por qué ciertos bariones vivían mucho más de lo que deberían, dados todos los estados finales posibles en los que podían desintegrarse. Supimos luego que la extrañeza de una partícula —un lambda o un kaón, por ejemplo— significa que hay un quark
s
. Pero el lambda y el kaón se desintegran, y el quark
s
se convierte en un quark
d
más ligero en el proceso. No obstante, en éste interviene la interacción débil. La fuerte no desempeña ningún papel en un proceso
s → d
; en otras palabras, la interacción fuerte conserva la extrañeza. Como la interacción débil es débil, la desintegración de los lambdas, los kaones y los miembros de su familia es lenta, y la vida media es larga: 10
⁻¹⁰
segundos, en vez de un proceso permitido que normalmente dura 10
⁻²³
segundos.

La multitud de asideros experimentales en las leyes de conservación son una suerte, pues una importante demostración matemática mostró que las leyes de conservación están relacionadas con simetrías que la naturaleza respeta. (Y simetría, de Tales a Sheldon Glashow, es como se llama el juego.) Descubrió esta conexión Emmy Noether, una matemática, alrededor de 1920.

Pero volvamos a nuestra historia.

A pesar del omega menos y de otros éxitos, nadie había visto nunca un quark. Hablo aquí a la manera de un físico, no como la señora del público. Zweig proclamó desde el principio que los ases/quarks eran entes reales. Pero cuando John Peoples, el actual director del Fermilab, era un joven experimentador en busca de los quarks, Gell-Mann le dijo que no se ocupara de ellos, que los quarks no eran más que un «elemento de cálculo».

Decirle esto a un experimentador es como arrojarle un guante. Por todas partes se emprendieron búsquedas de los quarks. Ni que decir tiene que en cuanto pones un cartel de «se busca» aparecen falsas pistas. La gente buscaba en los rayos cósmicos, en los sedimentos profundos de los océanos, en el vino viejo y bueno («Eshto, no hay qua… quarks aquí, ¡hip!) una graciosa carga eléctrica atrapada en la materia.

Se emplearon todos los aceleradores con la intención de arrancar los quarks de sus prisiones. Habría sido bastante fácil hallar una carga de 1/3 o 2/3, pero aun así casi todas las búsquedas terminaban con las manos vacías. Un experimentador de la Universidad de Stanford, por medio de unas minúsculas bolas hechas con gran precisión de niobio puro, informó que había atrapado un quark. Al no poder ser repetido, el experimento fue muriéndose, y los estudiantes poco respetuosos llevaban camisetas donde ponía: «Has de tener unas bolas de niobio si quieres atrapar quarks».

Los quarks eran fantasmagóricos; el fracaso en hallarlos libres y la ambivalencia de la idea original retrasó su aceptación hasta finales de los años sesenta, cuando una clase distinta de experimentos exigió que hubiera quarks, o al menos rusas similares a los quarks. Los quarks se concibieron para explicar la existencia y la clasificación de un número enorme de hadrones. Pero si el protón tenía tres quarks. ¿por qué no se manifestaban? Bueno, lo hemos soltado ya antes. Se los puede «ver». Rutherford otra vez.

En 1967 se emprendió una serie de experimentos de dispersión mediante los nuevos haces de electrones del SLAC. El objetivo era estudiar más incisivamente la estructura del protón. Entra el electrón de gran energía, golpea un protón en un blanco de hidrógeno y sale un electrón de energía mucho menor, pero en una dirección que forma un ángulo grande con respecto a su camino original. La estructura puntual dentro del protón actúa, en cierto sentido, como el núcleo con las partículas alfa de Rutherford. Pero el problema era aquí más sutil.

Al equipo de Stanford, dirigido por el físico del SLAC Richard Taylor, canadiense, y dos físicos del MIT, Jerome Friedman y Henry Kendall, le ayudó enormemente que metiesen las narices Richard Feynman y James Bjorken. Feynman había prestado su energía y su imaginación a las interacciones fuertes y en particular a «¿qué hay dentro del protón?». Visitaba con frecuencia Stanford desde su base en el Cal Tech, en Pasadena. Bjorken (todos le llaman «Bj»), teórico de Stanford, estaba interesadísimo en el proceso experimental y en las reglas que regían unos datos aparentemente incompletos. Esas reglas, razonaba Bjorken, serían indicadoras de las leyes básicas (dentro de la caja negra) que controlaban la estructura de los hadrones.

Aquí tenemos que volver con nuestros viejos y buenos amigos Demócrito y Boscovich, pues ambos echaron luz sobre el asunto. La prueba que Demócrito imponía para determinar si algo era un
á-tomo
era que fuese indivisible. En el modelo de los quarks, el protón es, en realidad, un aglomerado pegajoso de tres quarks que se mueven rápidamente. Pero como esos quarks están siempre inextricablemente encadenados los unos a los otros, experimentalmente el protón aparece indivisible.

Boscovich añadió una segunda prueba. Una partícula elemental, o un «
á-tomo
», tiene que ser puntual. Esta prueba no la pasaba, sin lugar a dudas, el protón. El equipo del MIT y el SLAC, con la asesoría de Feynman y Bj, cayó en la cuenta de que en este caso el criterio operativo era el de los «puntos» y no el de la indivisibilidad. La traducción de sus datos a un modelo de constituyentes puntuales requería una sutileza mucho mayor que en el experimento de Rutherford. Por eso era tan conveniente tener a dos de los mejores teóricos del mundo en el equipo. El resultado fue que los datos indicaron, en efecto, la presencia de objetos puntuales en movimiento dentro del protón. En 1990 Taylor, Friedman y Kendall recogieron su premio Nobel por haber establecido la realidad de los quarks. (Estos eran los científicos a los que se refería Jay Leno [un humorista estadounidense] al principio de este capítulo.)

Una buena pregunta: ¿cómo pudieron ver estos tipos los quarks si los quarks nunca están libres? Pensad en una caja sellada con tres bolas de acero dentro. Agitadla, inclinadla de varias formas, escuchad y concluid: tres bolas. El punto más sutil es que los quarks se detectan siempre en la proximidad de otros quarks, que podrían cambiar sus propiedades. Hay que vérselas con este factor pero… piano, piano. La teoría de los quarks hizo muchos conversos, especialmente a medida que los teóricos que escrutaban los datos fueron imbuyendo a los quarks una realidad creciente, conociendo mejor sus propiedades y convirtiendo la incapacidad de ver quarks libres en una virtud.

La palabra de moda era «confinamiento». Los quarks están confinados permanentemente porque la energía requerida para separarlos aumenta a medida que la distancia entre ellos crece. Entonces, cuando se intenta con suficiente empeño, la energía se vuelve lo bastante grande para crear un par quark-antiquark, y ya tenemos cuatro quarks, o dos mesones. Es como intentar conseguir un cabo de cuerda. Se corta y, ¡ay!, dos cuerdas.