La partícula divina (59 page)

En junio nos bebimos el champán e hicimos saber la noticia (que de todas formas se había filtrado) al laboratorio. Steve Herb dio una charla a un público apiñado y emocionado. Era el mayor descubrimiento hecho por el Fermilab. Luego, ese mismo mes, escribimos la comunicación del descubrimiento de un ancho chichón a 9,5 GeV con 770 sucesos en el pico —estadísticamente seguro—. No es que no nos pasásemos inacabables horas por hombre (desgraciadamente, no teníamos colaboradoras) buscando algún funcionamiento incorrecto del detector que pudiese simular un chichón. ¿Regiones muertas del detector? ¿Una pifia en la programación? Rastreamos sin miramientos docenas de errores posibles. Comprobamos todas las medidas de seguridad incorporadas —que contrastaban la validez de los datos mediante preguntas cuyas respuestas conocíamos—. Por agosto, gracias a datos adicionales y a análisis más depurados, teníamos tres picos estrechos, la familia úpsilon: úpsilon, úpsilon prima y úpsilon doble prima. No había forma de explicar esos datos con la física conocida en 1977. Entra la belleza (¡o el fondo!).

Hubo poca resistencia a nuestra conclusión de que habíamos visto un estado ligado de un quark nuevo —llamadlo quark
b
— y su antipartícula gemela. El
J/psi
era un mesón
c
c
.
Úpsilon
era un mesón
b
b
. Como la masa del chichón
úpsilon
estaba cerca de los 10 GeV, el quark b había de tener una masa próxima a los 5 GeV. Era el quark más pesado que se hubiera registrado; el quark c estaba cerca de los 1,5 GeV. «
Á-tomos
» como
c
c
y
b
b
tienen un estado fundamental de menor energía y una variedad de estados excitados. Nuestros tres picos representaban el estado fundamental y dos estados excitados.

Una de las cosas divertidas relativas al
úpsilon
era que los experimentadores podían manejar las ecuaciones de este curioso átomo, compuesto por un quark pesado que gira alrededor de un pesado antiquark. La buena y vieja ecuación de Schrödinger funcionaba bien, y con un vistazo rápido a nuestros apuntes de la carrera les echábamos una carrera a los teóricos profesionales a ver quién calculaba antes los niveles de energía y otras propiedades que habíamos medido. Nosotros nos divertíamos…, pero ellos ganaban.

Los descubrimientos son siempre experiencias cuasisexuales, y cuando el rápido análisis «a pedales» de John Yoh dio la primera indicación de la existencia del chichón, experimenté la sensación, ya familiar (para mí), de euforia intensa pero teñida con la angustia de que «no podía ser verdad en realidad». El impulso más inmediato es el de comunicarlo, decírselo a la gente. ¿A quién? A las esposas, a los mejores amigos, a los niños, en este caso al director Bob Wilson, cuyo laboratorio necesitaba de mala manera un descubrimiento. Telefoneamos a nuestros colegas de la máquina DORIS de Alemania y les pedimos que mirasen si podían llegar a la energía necesaria para hacer
úpsilones
con su colisionador de
e
⁺
e
⁻
. DORIS era el único otro acelerador que tenía alguna oportunidad a esa energía. En un
tour de force
de magia maquinal, triunfaron. ¡Más alegría! (Y algo más que un poco de alivio.) Luego piensas en las recompensas. ¿Será con esto?

El descubrimiento se nos volvió traumático por un incendio que interrumpió la toma de datos tras una buena semana de trabajo. En mayo de 1977, un dispositivo que mide la corriente de nuestros imanes, suministrado sin duda por alguien que había hecho una oferta a la baja, se prendió fuego, y el fuego se extendió al cableado. Un fuego eléctrico crea gas de cloro, y cuando nuestros amigables bomberos cargaron con las mangueras y echaron agua por todas partes, crearon una atmósfera de ácido hidroclórico, que se posa en todas las tarjetas de transistores y poco a poco se las va comiendo.

El salvamento electrónico es un tipo de arte. Los amigos del CERN me habían hablado de un incendio parecido que sufrieron allí, así que les llamé para que me aconsejasen. Me dieron el nombre y unos números de teléfonos de un experto holandés del salvamento, que trabajaba para una empresa alemana y vivía en el centro de España. El fuego fue el sábado, y a las tres de la madrugada del domingo, desde mi cuarto en el Fermilab, llamé a España y di con mi hombre. Sí, vendría. Llegaría a Chicago el martes, y un avión de carga procedente de Alemania que transportaría unos productos químicos especiales, el miércoles. Pero necesitaba un visado estadounidense, que solía llevar diez días. Llamé a la embajada de los Estados Unidos en Madrid y peroré: «Energía atómica, seguridad nacional, millones de dólares en juego…». Me pusieron con un ayudante del embajador que no parecía muy impresionado hasta que me identifiqué como un profesor de Columbia. «¡Columbia! ¿Por qué no lo ha dicho? Soy de la promoción del cincuenta y seis —exclamó—, dígale a su compañero que pregunte por mí.»

El martes, el señor Jesse llegó y husmeó las 900 tarjetas, cada una de las cuales llevaba unos 50 transistores (tecnología de 1975). El miércoles llegaron los productos químicos. Con los aduaneros tuvimos otro soponcio, pero el departamento de energía de los Estados Unidos nos echó una mano. El jueves teníamos ya una cadena de montaje: físicos, secretarias, esposas, amigas, todos sumergían tarjetas en la solución secreta A, luego en la B, las secaban con nitrógeno gaseoso, las cepillaban con cepillos de pelo de camello y las apilaban. Casi esperaba que se nos pidiera que acompañásemos el rito musitando un ensalmo holandés, pero no hizo falta.

Jesse era jinete y vivía en España para entrenarse con la caballería española. Cuando se enteró de que yo tenía tres caballos, se apresuró a cabalgar con mi mujer y el club hípico del Fermilab. Era un verdadero experto, y le dio consejos a todo el mundo. Enseguida, los jinetes de la pradera intercambiaban consejos sobre cambios en vuelo, pasajes, corvetas y cabriolas. Ya teníamos una caballería del Fermilab entrenada para defender el laboratorio si las fuerzas hostiles del CERN o del SLAC decidiesen atacarlo a caballo.

El viernes instalamos todas las tarjetas y las comprobamos una a una cuidadosamente. El sábado por la mañana ya estábamos otra vez en marcha, y pocos días después un análisis rápido mostraba que el chichón seguía allí. Jesse se quedó dos semanas, montando a caballo, encantando a todos y aconsejando sobre la prevención de incendios. Nunca recibimos una factura por su trabajo, pero sí pagamos los productos químicos. Y así consiguió el mundo una tercera generación de quarks y leptones.

El mismísimo nombre de
bottom
(«fondo») sugiere que debe de haber un quark
top
(«cima»). (O si preferís el nombre
beauty
[«belleza»], que hay un quark
truth
[«verdad»]). La nueva tabla periódica es ahora como sigue:

En el momento en que se escribe esto, aún está por descubrir el quark
top
.
{3}
Tampoco se ha cogido experimentalmente al neutrino
tau
, pero la verdad es que de su existencia no duda nadie. Se han remitido al Fermilab, a lo largo de los años, varias propuestas para un «experimento de los tres neutrinos», una versión fortalecida de nuestro experimento de los dos neutrinos, pero se han rechazado todas porque ese proyecto sería carísimo.

Obsérvese que el grupo que está abajo y a la izquierda (
υ
_e
,
e
,
υ
_μ
,
μ
) en nuestra tabla se estableció en el experimento de los dos neutrinos de 1962. Luego, el quark
bottom
y el leptón
tau
pusieron (casi) los toques finales al modelo a finales de los años setenta.

La tabla, cuando se le añaden las diversas fuerzas, es un resumen compacto de todos los datos que han salido de los aceleradores desde que Galileo dejó caer esferas de pesos distintos desde la casi vertical torre de Pisa. La tabla recibe el nombre de
modelo estándar
o, si no, cuadro o teoría estándar. (Memorizadlo.)

En 1993 este modelo sigue siendo el dogma imperante de la física de partículas. Las máquinas de los años noventa, sobre todo el Tevatrón del Fermilab y el colisionador de electrones y positrones del CERN (el LEP), concentran los esfuerzos de miles de experimentadores en la búsqueda de pistas de qué hay más allá del modelo estándar. Además, las máquinas más pequeñas del DESY, Cornell, Brookhaven, el SLAC y el KEK (Tsukuba, Japón) intentan refinar nuestro conocimiento de los muchos parámetros del modelo estándar y encontrar indicios de una realidad más profunda.

Hay mucho que hacer. Una tarea es explorar los quarks. Acordaos de que en la naturaleza hay sólo dos tipos de combinaciones: 1) quark más antiquark (
q
q
) —los mesones— y 2) tres quarks (
qqq
) —los bariones—. Podemos ahora jugar y componer hadrones del estilo de
u
u
,
u
c
,
d
s
,
d
b
… ¡A divertirse! Y
uud
,
ccd
,
ttb
… Son posibles cientos de combinaciones (hay quién sabe tantas). Todas son partículas que o han sido descubiertas y apuntadas en las tablas o que están listas para que se las descubra. Midiendo la masa y las vidas medias y los modos de desintegración, se va aprendiendo más y más de la interacción fuerte de los quarks transmitida por los gluones y de las propiedades de la interacción débil. Hay
mucho
que hacer.

Otro momento experimental de altura es el descubrimiento de las llamadas «corrientes neutras», y es fundamental en nuestra historia de la Partícula Divina.

En los años setenta se habían reunido montañas de datos sobre la desintegración de los hadrones inestables. Esta desintegración es en realidad la manifestación de las reacciones de los quarks que hay detrás; un quark
up
, por ejemplo, se transforma en un quark
down
o viceversa. Más informativos aún eran los resultados de varios decenios de experimentos de dispersión con neutrinos. Todos juntos, los dalos recalcaban que la interacción débil tenía que ser transportada por tres partículas mensajeras con masa: la
W
⁺
, la
W
⁻
y la
Z°
. Habían de tener masa porque la esfera de influencia de la interacción débil es muy pequeña, y no llega más que a unos 10
⁻¹⁹
metros. La teoría cuántica impone una regla a bulto según la cual el alcance de una fuerza varía con el inverso de la masa de la partícula mensajera. La fuerza electromagnética llega al infinito (pero se hace más débil con la distancia), y su partícula mensajera es el fotón, de masa nula.

Pero ¿por qué hay tres vehículos de la fuerza? ¿Por qué hay tres partículas mensajeras —una de carga positiva, otra negativa, la tercera neutra— para propagar el campo que induce los cambios de especie? Para explicarlo, vamos a tener que hacer un poco de contabilidad física y asegurarnos de que sale lo mismo a los dos lados de la flecha (→), incluidos los signos de la carga eléctrica. Si una partícula neutra se desintegra en partículas cargadas, por ejemplo, las cargas positivas tienen que equilibrar las negativas.

Primero, veamos qué pasa cuando un neutrón se desintegra en un protón, proceso típico de la interacción débil. Lo escribimos así:

n → p
⁺
+ e
⁻
+
υ
_e

Ya hemos visto esto antes: un neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino. Fijaos que el protón, positivo, anula la carga negativa del electrón en el lado derecho de la reacción, y el antineutrino es neutro. Todo encaja. Pero esta es una visión superficial de la reacción, como quien ve a un huevo convertirse en un arrendajo. No ves qué hace el embrión dentro. El neutrón es en realidad un conglomerado de tres quarks: un quark
up
y dos
down
(
udd
); un protón es dos quarks
up
y uno
down
(
uud
). Entonces, cuando un neutrón se desintegra en un protón, un quark
down
se convierte en un quark
up
. Es, pues, más instructivo mirar dentro del neutrón y describir qué les pasa a los quarks. Y en el lenguaje de los quarks, la misma reacción se escribe:

d → u + e
⁻
+
υ
_e

Es decir, en el neutrón un quark
down
se convierte en un quark
up
y se emiten un electrón y un antineutrino. Pero esta es una versión demasiado simplificada de lo que en realidad sucede. El electrón y el antineutrino no salen directamente del quark
down
. Hay una reacción intermedia en la que participa un
W
⁻
. La teoría cuántica de la interacción débil escribe, por lo tanto, el proceso de desintegración del neutrón en dos etapas:

d
^−1/3
→ W
⁻
+ u
^+2/3

y a continuación

W
⁻
→ e
⁻
+
υ
_e

Observad que el quark
down
se desintegra primero en un
W
⁻
y un quark
up
. El
W
⁻
, a su vez, se desintegra en el electrón y el antineutrino. El
W
⁻
es el vehículo de la interacción débil y participa en la reacción de desintegración. En la reacción de
up
, W tiene que ser negativo para equilibrar el cambio de la carga eléctrica cuando
d
se transforma en
u
. Si sumáis la carga −1 del
W
⁻
a la carga +2/3 del quark
up
os saldrá −1/3, la carga del quark
down
que puso en marcha la reacción. Todo encaja.