La partícula divina (61 page)

Pero así son las cosas.

Weinberg, por medio del trabajo de Higgs, había descubierto un mecanismo gracias al cual un conjunto de partículas mensajeras que originalmente tenían masa cero, representantes de una fuerza unificada electrodébil, adquirían masa alimentándose, por hablar de una forma muy poética, de los componentes indeseados de la teoría. ¿Vale? ¿No? Al utilizar la idea de Higgs para destruir la simetría, ¡caray!: los W y el Z adquirían masa, el fotón seguía igual y de las cenizas de la teoría unificada destruida salían las fuerzas electromagnética y la débil. Los W y Z con masa dan vueltas por ahí y crean la radiactividad de las partículas y las reacciones que de vez en cuando interfieren las travesías del universo de los neutrinos, mientras los fotones dan lugar a la electricidad que todos conocemos, amamos y pagamos. Eso es. La radiactividad (interacción débil) y la luz (el electromagnetismo) sencillamente (¿?) enlazados. En realidad, la idea de Higgs no destruye la simetría; sólo la esconde.

Sólo seguía abierta una pregunta. ¿Por qué tenía que creerse alguien toda esa palabrería matemática? Bueno, Tini Veltman (nada mini) y Gerard `t Hooft habían laborado en el mismo suelo, quizás más a conciencia, y habían mostrado que si se hace el (aún misterioso) truco de Higgs para romper la simetría, todos los infinitos que habían lacerado tradicionalmente a la teoría desaparecían y la teoría quedaba como los chorros del oro. Renormalizada.

Matemáticamente, aparecía en las ecuaciones todo un conjunto de términos con signos tales que anulaban los términos que tradicionalmente eran infinitos. Pero ¡había tantos términos así! Para hacerlo sistemáticamente, Hooft escribió un programa de ordenador, y un día de julio de 1971 observó el resultado a medida que unas complicadas integrales se restaban de otras. Cada una de ellas, si se las evaluaba por separado, daban un resultado infinito. Todos los infinitos se fueron. Esta fue la tesis de Hooft, y debe quedar con la de De Broglie como una tesis de doctorado que hizo historia.

Bastante teoría ya. Hay que admitir que es una materia complicada. Pero volveremos a ella más adelante, y un firme principio pedagógico adquirido en cuarenta y tantos años de vérselas con estudiantes —desde los de primero a posdoctorados— dice que aun cuando el primer pase sea en un 97 por 100 incomprensible, la próxima vez que lo veas resultará, de alguna forma, de lo más familiar.

¿Qué consecuencias tenía toda esta teoría para el mundo real? Las más importantes tendrán que esperar hasta el capítulo 8. En 1970, la consecuencia inmediata para los experimentadores fue que el
Z°
tenía que existir para que todo funcionase. Y si el
Z°
era una partícula, lo encontraríamos. Era neutro, como su hermanastro el fotón. Pero al contrario que el fotón, carente de masa, se suponía que era muy pesado, como sus hermanos, los gemelos W. Nuestra tarea, pues, estaba clara: buscar algo que se pareciese a un fotón pesado.

Se habían buscado los W en muchos experimentos, entre ellos varios míos. Mirábamos en las colisiones de neutrinos, no veíamos ningún W y decíamos que el no poder dar con ellos sólo se podía entender si su masa era mayor que 2 GeV. Si hubiese sido más ligero, se habría dejado ver en nuestra segunda serie de experimentos con neutrinos en Brookhaven. Miramos en las colisiones de protones. Ni un W. Su masa, entonces, tenía que ser mayor que 5 GeV. Los teóricos también tenían sus opiniones sobre las propiedades del W y fueron aumentando su masa hasta que, en los últimos años setenta, se predijo que sería de unos 70 GeV. De lejos, demasiado grande para las máquinas de aquella época.

Pero volvamos al
Z°
. Un núcleo dispersa un neutrino. Si éste envía un
W
⁺
(un antineutrino enviaría un
W
⁻
), se convierte en un muón. Pero si puede emitir un
Z°
, sigue siendo un neutrino. Como se ha mencionado, como no hay cambio de carga eléctrica mientras seguimos los leptones, llamamos a eso corriente neutra.

Un experimento encaminado de verdad a detectar las corrientes neutras no es fácil. La huella es un neutrino invisible que entra, un neutrino igualmente invisible que sale, y además un cúmulo de hadrones producidos por el núcleo golpeado. Ver sólo un cúmulo de hadrones en el detector no es muy impresionante. Es justo lo que un neutrón de fondo haría. En el CERN, una cámara de burbujas gigante,
Gargamelle
se llamaba, empezó a funcionar con un haz de neutrinos en 1971. El acelerador era el PS, una máquina de 30 GeV que producía neutrinos de alrededor de 1 GeV. En 1972 el grupo del CERN era ya muy activo en seguir el rastro de sucesos sin muones. A la vez, la nueva máquina del Fermilab enviaba neutrinos de 50 GeV hacia un pesado detector de neutrinos electrónicos del que se encargaban David Cline (Universidad de Wisconsin), Alfred Mann (Universidad de Pennsylvania) y Carlo Rubbia (Harvard, CERN, el norte de Italia,
Alitalia
…).

No podemos hacer justicia a la historia de este descubrimiento. Está llena de
sturm und drang
, de interés humano, de la sociopolítica de la ciencia. Nos lo saltaremos todo y diremos sólo que en 1973 el grupo del
Gargamelle
anunció, de forma un tanto tentativa, que había observado corrientes neutras. En el Fermilab, el equipo de Cline-Mann-Rubbia tenía también unos datos así así. Los fondos oscurecedores eran serios, y la señal no le daba a uno un toque en la espalda. Llegaron a la conclusión de que habían descubierto las corrientes neutras. Y se arrepintieron. Y otra vez concluyeron que las habían visto. Un gracioso llamó a sus esfuerzos «corrientes neutras alternas».

Para el congreso de Rochester (una reunión internacional que se celebra cada dos años) de 1974, en Londres, todo estaba claro: el CERN había descubierto las corrientes neutras y el grupo del Fermilab tenía una confirmación convincente de esa señal. Las pruebas indicaban que «algo parecido a un
Z°
» tenía que existir. Pero si nos atenemos a lo que dice el libro, aunque se estableciese la existencia de las corrientes neutras en 1974, hubieron de pasar nueve años más antes de que se probase directamente la existencia del
Z°
. El mérito fue del CERN, en 1983. ¿La masa? El
Z°
era, en efecto, pesado: 91 GeV.

A mediados de 1992, dicho sea de paso, la máquina LEP del CERN había registrado más de dos millones de
Z°
, recogidos por sus cuatro gigantescos detectores. El estudio de la producción del
Z°
y de su subsiguiente desintegración está proporcionando un filón de datos y mantiene ocupados a unos 1.400 físicos. Recordad que cuando Ernest Rutherford descubrió las partículas alfa, las explicó y a continuación le sirvieron de herramienta para descubrir el núcleo. Nosotros hicimos lo mismo con los neutrinos; y los haces de neutrinos, como acabamos de ver, se han convertido también en una industria, útil para hallar partículas mensajeras, estudiar los quarks y unas cuantas cosas más. La fantasía de ayer es el descubrimiento de hoy que será el aparato de mañana.

En los años setenta necesitábamos para completar el modelo estándar un descubrimiento más. Teníamos los quarks, pero se enlazan entre sí con tanta fuerza que no existen en estado libre. ¿Cuál es el mecanismo del enlace? Recurrimos a la teoría cuántica de campos, pero los resultados fueron otra vez frustrantes. Bjorken había elucidado los primeros resultados experimentales obtenidos en Stanford, en los que los electrones rebotaban en los quarks del protón. Fuese cual fuese la fuerza, la dispersión de los electrones indicaba que era sorprendentemente débil cuando los quarks estaban muy juntos.

Era un resultando apasionante porque también se quería aplicar ahí la simetría
gauge
. Y las teorías
gauge
predijeron, contra la intuición, que la interacción fuerte se hace muy débil cuando los quarks se acercan mucho y más fuerte a medida que se separan. El proceso, descubierto por unos chicos, David Politzer, de Harvard, y David Gross y Frank Wilczek, de Princeton, llevaba un nombre que sería la envidia de cualquier político: libertad asintótica. Asintótico significa, burdamente, «que se acerca cada vez más, pero no toca nunca». Los quarks tienen libertad asintótica. La interacción fuerte se debilita más y más a medida que un quark se aproxima a otro. Esto significa, paradójicamente, que cuando los quarks están muy juntos se portan casi como si fuesen libres. Pero cuando se apartan, las fuerzas se hacen efectivamente mayores. Las distancias cortas suponen energías altas, así que la interacción fuerte se debilita a altas energías. Esto es justo lo contrario de lo que pasa con la fuerza eléctrica. (Las cosas se vuelven curiosísimas, dijo Alicia.) Aún más importante era el que la interacción fuerte necesitase una partícula mensajera, como las otras fuerzas. En alguna parte le dieron al mensajero el nombre de gluón. Pero dar nombre no es conocer.

Otra idea, que menudea en la literatura teórica, viene a cuento ahora. A ésta le puso nombre Gell-Mann. Se llama
color
—o
colour
en el inglés de Europa— y no tiene nada que ver con el color que vosotros y yo percibimos. El color explica ciertos resultados experimentales y predice otros. Por ejemplo, explicaba cómo podía el protón tener dos quarks
up
y uno
down
cuando el principio de Pauli excluía específicamente que hubiera dos objetos idénticos en el mismo estado. Si uno de los quarks
up
es azul y el otro es verde, cumplimos la regla de Pauli. El color le da a la interacción fuerte el equivalente de la carga eléctrica.

Tiene que haber
tres
tipos de color, decían Gell-Mann y otros que habían trabajado en este huerto. Recordad que Faraday y Ben Franklin habían determinado que hay dos variedades de carga eléctrica, designadas más y menos. Los quarks necesitan tres. Hay quarks, pues, de tres colores.

Puede que la idea del color le fuese robada a la paleta, pues hay tres colores primarios. Una analogía mejor podría ser que la carga eléctrica es unidimensional, con las direcciones más y menos, mientras que el color es tridimensional (tres ejes: rojo, azul y verde). El color explicaba por qué las combinaciones de quarks son, únicamente, bien de quark con antiquark (mesones), bien de tres quarks (bariones). Estas combinaciones no muestran color; la quarkidad desparece cuando miramos un mesón o un barión. Un quark rojo se combina con un antiquark antirrojo y produce un mesón incoloro. El rojo y el antirrojo se anulan. De la misma forma, los quarks rojos, azules y verdes de un protón se mezclan y producen el blanco (probad a hacerlo dándole vueltas a una rueda de color). Incoloro, también.

Aun cuando estas sean unas buenas razones para usar la palabra «color», su significado no es literal. Describimos con ella una propiedad abstracta más, que los teóricos les dieron a los quarks para explicar la creciente cantidad de datos. Podríamos haber usado Tom, Dick y Harry o A, B y C, pero el color era una metáfora más apropiada (¿colorista?). El color, pues, junto con los quarks y los gluones, parecía que siempre sería parte de la caja negra, un ente abstracto que nunca hará sonar un contador Geiger, ni dejará una traza en una cámara de burbujas, ni excitará los cables de un detector electrónico.

Sin embargo, la noción de que la interacción fuerte se debilita a medida que los quarks se acercan entre sí era apasionante desde el punto de vista de una unificación más avanzada. Cuando disminuye la distancia entre las partículas, su energía relativa crece (una distancia pequeña supone una energía grande). Esta libertad asintótica implica que la interacción fuerte se hace más débil a altas energías. A los buscadores de la unificación se les daba así la esperanza de que a una energía lo bastante alta la intensidad de la interacción fuerte podría acercarse a la de la fuerza electrodébil.

Y ¿qué pasa con las partículas mensajeras? ¿Cómo describimos las partículas que llevan la fuerza de color? Se obtuvo que los gluones llevan dos colores —un color y otro anticolor— y que, al ser emitidos o absorbidos por los quarks, cambian el color del quark. Por ejemplo, un gluón rojo-antiazul convierte un quark rojo en un quark antiazul. Este intercambio es el origen de la interacción fuerte, y Murray el Gran Denominador bautizó a la teoría como «cromodinámica cuántica» (QCD), nombre en resonancia con el de electrodinámica cuántica (QED). La tarea de cambiar el color supone que tengamos necesidad de tantos gluones como hagan falta para conseguir todos los cambios posibles. Resulta que son ocho gluones. Si le preguntáis a un teórico «¿por qué ocho?», él os dirá sabiamente: «Porque ocho es nueve menos uno».

Nuestra incomodidad con que no se vea nunca a los quarks fuera de los hadrones sólo se atemperó moderadamente con una representación física de por qué los quarks están siempre encerrados. A distancias muy cortas, los quarks ejercen unas fuerzas hasta cierto punto pequeñas los unos sobre los otros. Ese dominio es la gloria para los teóricos, porque en él pueden calcular las propiedades del estado del quark y la influencia del quark en los experimentos de colisiones.

Cuando los quarks se separan, en cambio, la fuerza se hace más intensa y la energía requerida para que crezca la distancia entre ellos sube muy deprisa hasta que, mucho antes de que los hayamos separado de verdad, la energía aportada produce la creación de un nuevo par quark-antiquark. Esta curiosa propiedad es una consecuencia de que los gluones no son simples, inertes partículas mensajeras. Ejercen en realidad fuerzas entre sí. En esto difiere la QED de la QCD, pues los fotones se ignoran unos a otros.

Con todo, la QED y la QCD tienen muchas estrechas similitudes, sobre todo en el dominio de las altas energías. Tardaron en llegar los éxitos de la QCD, pero fueron constantes. A causa de la borrosa parte de larga distancia de la fuerza, los cálculos nunca fueron muy precisos y muchos experimentos concluían con una afirmación bastante nebulosa: «nuestros resultados son compatibles con las predicciones de la QCD».

Entonces, ¿qué clase de teoría tenemos si jamás de los jamases podremos ver un quark libre? Podemos hacer experimentos que sientan la presencia de electrones y los midan, de esta manera y de la otra, aun cuando estén ligados del todo a los átomos. ¿Podemos hacer lo mismo con los quarks y los gluones? Bjorken y Feynman habían sugerido que en una colisión muy dura de partículas los quarks energizados tirarían al principio hacia afuera y, justo antes de abandonar la influencia de sus quarks compañeros, se enmascararían a sí mismos con un estrecho manojo de hadrones —tres o cuatro u ocho piones, por ejemplo, o poned también algunos kaones y nucleones—, que se dirigirían en un haz estrecho a lo largo de la trayectoria del quark progenitor. Se les dio el nombre de «chorros», y se puso en marcha su búsqueda.