La partícula divina (58 page)

No he respondido todavía la pregunta: ¿qué era lo extraordinario? El
J/psi
era un hadrón. Pero habíamos descubierto cientos de hadrones, así que ¿por qué se perdía la compostura por uno más, aunque tuviera un nombre tan fantasioso como
J/psi
? La razón tiene que ver con su masa, con lo grande —es tres veces más pesado que el protón— y «abrupta» que es, menos de 0,05 MeV.

¿Abrupta? Lo que quiere decir es lo siguiente. Una partícula inestable no puede tener una masa inequívoca, bien definida. Las relaciones de incertidumbre de Heisenberg explican por qué. Cuanto menor sea la vida media, más ancha será la distribución de masas. Es una conexión cuántica. Lo que queremos decir cuando hablamos de una distribución de masas es que cualquier serie de mediciones arrojará masas diferentes, distribuidas conforme a una curva de probabilidad con forma de campana. Al pico de esa curva, por ejemplo 3,105 GeV, se le denomina masa de la partícula, pero la dispersión de los valores de la masa es de hecho una medida de la vida media de la partícula. Como la incertidumbre se refleja en la medición, podremos entender esto si nos damos cuenta de que, en el caso de una partícula estable, tenemos un tiempo infinito para medir su masa y, por lo tanto, la dispersión es infinitamente estrecha. La masa de una partícula que viva muy poco no se puede determinar con precisión (ni siquiera en principio), y el resultado experimental, aun con un aparato finísimo, es una amplia dispersión de las mediciones de la masa. Como ejemplo, una partícula típica de la interacción fuerte se desintegra en 10
⁻²³
segundos y la dispersión de su masa es de unos 100 MeV.

Un recordatorio más. Dijimos que todas las partículas hadrónicas son inestables, menos el protón libre. Cuanto mayor sea la masa de un hadrón (o de cualquier partícula), menor es su vida media porque hay más cosas en las que puede desintegrarse. Así que habíamos hallado un
J/psi
con una masa enorme (en 1974 era la partícula más pesada que se hubiese encontrado), pero la conmoción la producía que la distribución observada de la masa fuese sumamente abrupta, más de mil veces más estrecha que la de una partícula típica de la interacción fuerte. Tenía, pues, una vida media
larga
. Algo impedía que se desintegrase.

¿Qué inhibe su desintegración?

Los teóricos levantaron todos la mano: actúan un número cuántico nuevo o, equivalentemente, una nueva ley de conservación. ¿Qué tipo de conservación? ¿Qué cosa nueva se conservaba? ¡Ah!, esta vez, por un tiempo, no hubo dos respuestas iguales.

Seguían saliendo datos, pero ahora sólo de las máquinas de
e
⁺
e
⁻
. A SPEAR acabaron por unírsele un colisionador en Italia, ADONE, y luego DORIS, en Alemania. Apareció otro chichón a 3,7 MeV. Llamadlo Ψ (psi prima), sin que haga falta mencionar la J, porque éste era hijo por entero de Stanford. (Ting y compañía habían abandonado la partida; su acelerador apenas si había sido capaz de descubrir la partícula y no lo era de llevar más adelante su examen.) Pero a pesar de los esfuerzos febriles, los intentos de explicar lo sorprendentemente abrupto que era
J/psi
se toparon al principio con un muro.

Por fin una cábala empezó a tener sentido. Quizá
J/psi
fuese el tan esperado «átomo» ligado de c y
c
, el quark encanto y su antiquark. En otras palabras, quizá fuese un mesón, esa subclase de los hadrones que consisten en un quark y un antiquark. Glashow, exultante, llamó al
J/psi charmonium
(pues el nombre del
c
en inglés es
charm
). Resultaría que esta teoría era correcta, pero hicieron falta dos años más para que se verificase. La dificultad estribaba en que cuando c y c se combinaban, las propiedades intrínsecas del encanto se borraban. Lo que
c
pone,
c
lo quita. Todos los mesones están formados por un quark y un antiquark, pero no tienen por qué estar hechos, como el
charmonium
, de un quark y su propio antiquark. El pión, por ejemplo, es
u
d
.

Seguía la búsqueda del «encanto desnudo», un mesón que consistiese en el encadenamiento de un quark encanto con, digamos, un quark
antidown
. Éste no anularía las cualidades de encanto de su compañero, y el encanto quedaría expuesto en toda su gloria desnuda, lo mejor después de lo imposible: un quark encanto libre. Ese mesón, un
c
c
, fue hallado en 1976 en el colisionador de
e
⁺
e
⁻
por un grupo del SLAC y de Berkeley dirigido por Gerson Goldhaber. Al mesón se le llamó
Dº
(
D cero
), y el estudio de los
D
tendría ocupadas a las máquinas de electrones durante los quince años siguientes. Hoy, mesones como los
c
c
, y
s
s
son grano para el molino de las tesis doctorales. Una compleja espectroscopía de estados enriquece nuestro conocimiento de las propiedades de los quarks.

Ya se sabía por qué
J/psi
era abrupto. El
encanto
es un número cuántico nuevo, y las leyes de conservación de la interacción débil no permiten que un quark
c
se convierta en un quark de una masa menor. Para que ello ocurra hay que invocar a las interacciones débil y electromagnética, que actúan mucho más despacio: de ahí la vida media más larga y la anchura exigua.

Los últimos focos opuestos a la idea de los quarks se rindieron esta vez. La idea de los quarks había llevado a una predicción fuera de lo común, y la predicción se había verificado. Probablemente, hasta Gell-Mann debió de empezar a darles a los quarks elementos de realidad, pero el problema del confinamiento —no puede haber un quark aislado— diferencia aún a los quarks de las otras partículas de la materia. Con el encanto, la tabla periódica quedaba equilibrada otra vez:

Ahora había cuatro quarks —es decir, cuatro sabores de quarks— y cuatro leptones. Hablábamos ahora de dos generaciones, dispuestas verticalmente en la tabla de arriba.
u-d-υ
_e
-e
es la primera generación, y como los quarks
up
y
down
hacen protones y neutrones, la primera generación domina nuestro mundo presente. La segunda generación,
c-s-υ
_μ
-μ
, se ve en el calor intenso pero fugaz de las colisiones de acelerador. No podemos ignorar estas partículas, por exóticas que puedan parecer. Exploradores intrépidos como somos, debemos luchar por hacernos una idea del papel que la naturaleza planeó para ellas.

No le he dado en realidad la debida atención a los teóricos que anticiparon que el
J/psi
era el
charmonium
y que contribuyeron a establecerlo como tal. Si el SLAC era el corazón experimental, Harvard fue el cerebro teórico. A Steven Weinberg le ayudó un enjambre de jóvenes magos; mencionaré sólo a Helen Quinn porque estuvo en el centro mismo de la euforia charmónica y está en mi equipo de modelos de rol.

Hagamos una pausa y sigamos adelante. Siempre es más difícil describir hechos recientes, sobre todo cuando el que describe está implicado en ellos. No hay el suficiente filtro de tiempo para ser objetivo. Pero, de todas formas, lo intentaremos.

Eran los años setenta, y gracias a la tremenda magnificación de los nuevos aceleradores y a unos ingeniosos detectores a su altura, el progreso hacia el hallazgo del
á-tomo
fue muy rápido. Los experimentadores se movían en todas las direcciones, iban sabiendo más de los distintos objetos encantados, examinaban las fuerzas desde un punto de vista más microscópico, exploraban la frontera de energía, encaraban los problemas sobresalientes de la hora. Entonces, un freno retuvo el paso del progreso a medida que costaba cada vez más encontrar fondos para la investigación. Vietnam, con su sangría del espíritu y del presupuesto, más la crisis del petróleo y el malestar general produjeron un ir dándole la espalda a la investigación básica. Esto hizo aún más daño a nuestros colegas de la «ciencia pequeña». Los físicos de altas energías están protegidos en parte por la acumulación de esfuerzos y el compartimiento de las instalaciones de los grandes laboratorios.

Los teóricos, que trabajan barato (dadles un lápiz, un poco de papel y un cuarto en una facultad), florecían, estimulados por la cascada de datos. Vimos a los mismos: Lee, Yang, Feynman, Gell-Mann, Glashow, Weinberg y Bjorken, pero pronto salieron otros nombres: Martinus Veltman, Gerard `t Hooft, Abdus Salam, Jeffrey Goldstone, Peter Higgs, entre otros.

Rocemos sólo rápidamente los aspectos experimentales más destacados, primando así injustamente las «atrevidas incursiones en lo desconocido» sobre el «lento y continuo avance de la frontera». En 1975, Martin Perl, casi en solitario y mientras mantenía un duelo, a lo d'Artagnan, con sus propios colegas-colaboradores, los convenció, y al final convenció a todos, de que en los datos del SLAC se escondía un quinto leptón llamado
tau
(
τ
), aparece, como sus primos más livianos, el electrón y el muón, con dos signos distintos:
τ
⁺
y
τ
⁻
.

Se estaba gestando una tercera generación. Como tanto el electrón como el muón tienen neutrinos asociados, parecía natural suponer que existía un neutrino sub
tau
(
υ
_τ
).

Mientras, el grupo de Lederman en el Fermilab aprendió por fin cómo se hacía correctamente el experimento del dimuón, y una nueva organización, muchísimo más eficaz, del aparato abrió de par en par el dominio de masas desde el pico de masas del
J/psi
, a 3,1, hasta, exhaustivamente, casi, casi 25 GeV, el límite que permitía la energía de 400 GeV del Fermilab. (Recordad, hablamos aquí de blancos estacionarios, así que la energía efectiva es una fracción de la energía del haz.) Y allí, a 9,4, 10,0 y 10,4 GeV había otros tres chichones, tan claros como los Tetons vistos desde la estación de esquí del Grand Targhee. La enorme masa de datos multiplicó la colección mundial de dimuones por un factor de 100. Se bautizó a la nueva partícula con el nombre de
úpsilon
(la última letra griega disponible, creíamos). Repetía la historia del
J/psi
; la cosa nueva que se conservaba era el quark
beauty
, o, como algunos físicos menos artistas lo llaman, el quark
bottom
. La interpretación del
úpsilon
era que se trataba de un «átomo» hecho del nuevo quark
b
enlazado a un quark
anti-b
. La pasión que despertó este descubrimiento no se acercó a la provocada por el
J/psi
en ninguna parte, pero una tercera generación era sin duda una noticia y suscitó una pregunta obvia: ¿cuántas más? También: ¿por qué insiste la naturaleza en las fotocopias, y cada generación reproduce la anterior?

Dejadme que dé una breve descripción del trabajo que condujo hasta el úpsilon. Nuestro grupo de físicos de Columbia, el Fermilab y Stony Brook (Long Island) tenía entre sus miembros a unos experimentadores jóvenes que eran el no va más. Habíamos construido un espectrómetro a la última con cámaras de hilos, imanes, hodoscopios de centelleo, más cámaras, más imanes. Nuestro sistema de adquisición de datos era el
dernier cri
, y se basaba en una electrónica diseñada por el genio de la ingeniería William Sippach. Todos habíamos trabajado en el mismo dominio de los haces del Fermilab. Conocíamos los problemas. Nos conocíamos unos a otros.

John Yoh, Steve Herb, Walter Innes y Charles Brown eran cuatro de los mejores posdoctorados que he visto. Los programas de ordenador estaban alcanzando el grado de refinamiento que hacía falta para trabajar en la frontera. Nuestro problema era que teníamos que ser sensibles a reacciones que ocurrían rarísimamente: una vez cada cien billones de colisiones. Como necesitábamos registrar muchos de esos raros sucesos dimuónicos, nos hacía falta proteger el aparato contra el enorme ritmo de producción de partículas carentes de interés. Nuestro equipo había llegado a tener un conocimiento único en lo tocante a cómo trabajar en un entorno de alta radiación de forma que los detectores siguiesen sobreviviendo. Habíamos aprendido a incorporar la redundancia para así poder suprimir sin miramientos la información falsa no importaba con cuánta inteligencia la naturaleza intentase engañarnos.

Al principio del proceso de aprendizaje, tomamos el modo dielectrónico y obtuvimos unos veinticinco pares de electrones por encima de 4 GeV. Extrañamente, doce de ellos se acumulaban alrededor de 6 GeV. ¿Un chichón? Debatimos, y decidimos que publicaríamos la posibilidad de que hubiese una partícula a 6 GeV. Seis meses después, cuando los datos ya sumaban trescientos sucesos, puf: no había un chichón a 6 GeV. Apuntamos el nombre de «úpsilon» para el falso chichón, pero cuando unos datos mejores contradijeron los anteriores, el incidente vino a conocerse como el
ay-leon
.

Vino entonces nuestra nueva instalación, donde habíamos invertido toda nuestra experiencia en la nueva disposición del blanco, en el blindaje, en la colocación de los imanes, en las cámaras. Empezamos a tomar datos en mayo de 1977. La era de las sesiones de un mes en las que se registraban veintisiete o trescientos sucesos había terminado; ahora entraban miles de sucesos por semana, en lo esencial carentes de fondo. No es frecuente en física que un instrumento nuevo le permita a uno explorar un dominio nuevo. El primer microscopio y el primer telescopio son ejemplos históricos de un significado mucho mayor, pero la excitación y la alegría con que se los usó por primera vez no pueden haber sido mucho más intensas que las nuestras. Tras una semana, apareció un ancho chichón cerca de 9,5 GeV, y pronto esta magnificación se hizo estadísticamente sólida. John Yoh había, en efecto, visto una acumulación cerca de 9,5 GeV en nuestra sesión de los trescientos sucesos, pero como nos habíamos quemado con los 6 GeV, se limitó a etiquetar con un «9,5» una botella de champán Mumm's, y la guardó en nuestra nevera.