La partícula divina (62 page)
Con las máquinas de los años setenta no era fácil distinguir esos chorros porque lo único que sabíamos producir eran quarks lentos, que generaban chorros anchos con un número pequeño de hadrones. Queríamos unos chorros densos, estrechos.
El primer éxito correspondió a una joven experimentadora, Gail Hanson, doctorada en el MIT y que trabajaba en el SLAC. Su cuidadoso análisis estadístico descubrió que
había
una correlación de hadrones en los residuos de una colisión
e
+
e
−
a 3 GeV en el SPEAR. La ayudó el que fuesen los electrones los que entraban y un quark y un antiquark los que salían, en direcciones opuestas para conservar el momento.
Estos chorros correlacionados se manifestaron, a duras penas pero concluyentemente, en el análisis. Cuando Demócrito y yo estábamos en la sala de control de la CDF, destellaban en la pantalla cada pocos minutos unos manojos afilados como agujas de unos diez hadrones, pares de chorros separados 180 grados. No hay razón alguna por la que deba darse semejante estructura, a no ser que el chorro sea el producto de un quark de mucha energía y mucho momento que se viste antes de salir.
Pero el mayor descubrimiento de este tipo en los años setenta se hizo en la máquina PETRA de
e
+
e
−
de Hamburgo, Alemania. Esta máquina, cuyas colisiones tenían una energía total de 30 GeV, mostró también, sin necesidad de análisis, la estructura de los dos chorros. Ahí casi se podían ver los quarks en los datos. Pero también se vio algo más.
Uno de los cuatro detectores conectados a PETRA tenía su propio acrónimo: TASSO, de Two-Armed Selenoidal Spectrometer (Espectómetro Solenoidal de Dos Brazos). El grupo del TASSO buscaba sucesos en los que aparecieran
tres
chorros. Una consecuencia de la teoría QCD es que cuando se aniquilan un
e
+
y un
e
−
producen un quark y un antiquark, hay una probabilidad razonable de que uno de los quarks que salen radie una partícula mensajera, un gluón. Ahí hay energía suficiente para convertir un gluón «virtual» en un gluón real. Los gluones comparten la timidez de los quarks y, como los quarks, se visten antes de dejar la caja negra del dominio de encuentro. De ahí los tres chorros de hadrones. Pero eso lleva más energía.
En 1978 las sesiones con energías de 13 y 17 GeV no arrojaron nada, pero a 27 GeV pasó algo. Otra física, Sau Lan Wu, profesora de la Universidad de Wisconsin, llevó adelante el análisis. El programa de Wu pronto descubrió más de cuarenta sucesos en los que había tres chorros de hadrones, y cada chorro tenía de tres a diez pistas (hadrones). El conjunto se parecía a la estrella de los Mercedes.
Los otros grupos de PETRA pronto se subieron al tren. Rastreando en sus datos, también encontraron sucesos de tres chorros. Un año después, se habían reunido miles. Se había, pues, «visto» el gluón. El teórico John Ellis, del CERN, calculó el patrón de las pistas por medio de la QCD, y debe concedérsele el mérito de haber motivado la búsqueda. El anuncio de la detección del gluón se hizo en un congreso que se celebró en el Fermilab en 1979, y me tocó a mí ir al programa de televisión de Phil Donahue, en Chicago, para explicar el descubrimiento. Puse más energía en explicar que los búfalos del Fermilab no vagaban por el laboratorio para servir de primeras alarmas por si se escapaba una radiación peligrosa. Pero en física las verdaderas noticias eran los gluones —los bosones, no los bisontes.
Así que ya tenemos todas las partículas mensajeras, o bosones
gauge
, como son llamadas más eruditamente. («
Gauge
» viene de la simetría
gauge
, y bosón deriva del físico indio S. N. Bose, que describió la clase de partículas cuyo espín tiene valores enteros.) Mientras las partículas de la materia tienen todas un espín de ½ y se las llama
fermiones
, las partículas mensajeras tienen todas espín 1 y son
bosones
. Hemos pasado por encima de algunos detalles. El fotón, por ejemplo, fue predicho por Einstein en 1905 y Arthur Compton lo observó experimentalmente en 1923 mediante rayos X dispersados por electrones atómicos. Aunque las corrientes neutras se descubrieron a mediados de los años setenta, los W y Z no se observaron de forma directa hasta 1983-1984, cuando se los detectó en el colisionador de hadrones del CERN. Como se ha mencionado, los gluones se captaron en 1979.
En esta larga discusión de la interacción fuerte, deberíamos señalar que la definimos como la fuerza entre quark y quark cuyo vehículo son los gluones. Pero ¿y qué es de la «vieja» interacción fuerte entre los neutrones y los protones? Sabemos ahora que es el efecto residual de los gluones que, digamos, gotean de los neutrones y los protones que se enlazan en el núcleo. La vieja interacción fuerte que se describe bien mediante el intercambio de piones se considera ahora una consecuencia de las complejidades de los procesos entre los quarks y los gluones.
Al entrar en los años ochenta, habíamos dado ya con todas las partículas de la materia (los quarks y los leptones), y teníamos las partículas mensajeras, o bosones
gauge
, de las tres fuerzas (excluida la gravedad) en muy buena medida en la mano. Si se añaden las partículas de las fuerzas a las partículas de la materia se tiene el modelo estándar completo, o ME. Aquí, pues, está el «secreto del universo»:
| Materia | ||
| Primera generación | Segunda generación | Tercera generación |
|---|---|---|
| Quarks | ||
| up (u) | encanto (c) | top (t) |
| down (d) | extraño (s) | Bottom (b) |
| Leptones | ||
| neutrino electrónico (υ e ) | neutrino muónico (υ μ ) | neutrino tau (υ τ ) |
| electrón (e) | muón (μ) | tau (τ) |
| Fuerzas | ||
| Bosones gauge | ||
| electromagnetismo | fotón (γ) | |
| interacción débil | W + W − Z° | |
| interacción fuerte | ocho gluones |
Recordad que los quarks vienen en tres colores. Por lo tanto, si uno es mezquino contará dieciocho quarks, seis leptones y doce bosones
gauge
que transportan las fuerzas. Hay, además, una
antitabla
en la que todas las partículas de la materia aparecen como antipartículas. Eso os daría sesenta partículas en total. Pero ¿a qué echar la cuenta? Quedaos con la tabla de arriba; es todo lo que tenéis que saber. Por fin creemos que tenemos los
á-tomos
de Demócrito. Son los quarks y los leptones. Las tres fuerzas y sus partículas mensajeras explican su «movimiento constante y violento».
Podría parecer que resumir el universo entero en una tabla, por compleja que sea, es una arrogancia. Pero da la impresión que los seres humanos nos vemos empujados a construir síntesis de ese estilo; los «modelos estándar» han sido recurrentes en la historia de Occidente. El actual modelo estándar no recibió ese nombre hasta los años setenta, y la expresión es propia de la historia moderna reciente de la física. Pero, ciertamente, ha habido a lo largo de los siglos otros modelos estándar. El esquema siguiente muestra sólo unos pocos:
| Arquitectos | Partículas | Fuerzas | Nota | Comentario |
|---|---|---|---|---|
| 600 ac: Tales (milesio) | Agua | No se mencionan | 8 | Fue el primero en explicar el mundo mediante causas naturales, no mediante los dioses. En el lugar de la mitología puso la lógica |
| 460 aC: Empédocles (de Agrigento) | Tierra, aire, fuego y agua | Amor y discordia | 9 | Aportó la idea de que hay «múltiples» partículas que se combinan para formar todos los tipos de materia. |
| 430 aC: Demócrito (de Abdera) | El atomos invisible e indivisible, o á-tomo | El movimiento violento constante | 10 | Su modelo requería demasiadas partículas, cada una con una forma diferente, pero su idea básica de que hay un átomo que no puede ser partido sigue siendo la definición básica de partícula elemental. |
| 1687: Isaac Newton (inglés) | Átomos duros, con masa, impenetrables | La gravedad (para el cosmos). Fuerzas desconocidas (para los átomos) | 7 | Le gustaban los átomos, pero no hizo que su causa avanzase. Su gravedad es un gran dolor de cabeza para los peces gordos en la década de 1990 |
| 1760: Roger J. Boscovich (dálmata) | «Puntos de fuerza», indivisibles y sin forma o dimensión | Fuerzas atractivas y repulsivas que actúan entre puntos | 9 | Su teoría era incompleta, limitada, pero la idea de que hay partículas de «radio nulo», puntuales, que crean «campos de fuerza», es esencial en la física moderna. |
| 1880: John Dalton | La fuerza de atracción ente los átomos | 7,5 | Se precipitó al resucitar la palabra de Demócrito —el átomo de Dalton no es indivisible—, pero dio una pista al decir que los átomos diferían en peso, no en su forma, como pensaba Demócrito. | |
| 1820: Michael Faraday (inglés) | Cargas eléctricas | Electromagnetismo (más la gravedad) | 8,5 | Aplicó el atomismo a la electricidad al conjeturar que las corrientes estaban formadas por «corpúsculos de electricidad», los electrones. |
| 1870: Dmitri Mendeleev (siberiano) | Más de 50 átomos, dispuestos en la tabla periódica de los elementos | No hace cábalas sobre las fuerzas | 8,5 | Tomó la idea de Dalton y organizó todos los elementos químicos conocidos. En su tabla periódica apuntaba con claridad una estructura más profunda y significativa. |
| 1992: Bjorken, Fermi, Friedman, Gell-Mann, Glashow, Kendall, Lederman, Perl, Richter, Schwartz, Steinberger, Taylor, Ting, más un reparto de miles | Seis quarks y seis leptones más sus antipartículas. Hay tres colores de quarks | El electromagnetismo, la interacción fuerte, la débil, doce partículas que llevan las fuerzas, más la gravedad | Incompleto | «Γυφφαω» (ríe). Demócrito de Abdera. |
Una carencia obvia es el que no se haya visto todavía el quark
top
. Otra, que falta una de las fuerzas: la gravedad. Nadie sabe cómo meter esta vieja gran fuerza en el modelo. Otro defecto estético es el que no sea lo bastante simple; debería parecerse más a la tierra, aire, fuego y agua, más el amor y la discordia, de Empédocles.
Hay demasiados parámetros en el modelo estándar, demasiados controles que ajustar.
Esto no quiere decir que el modelo estándar no sea uno de los grandes logros de la ciencia. Es la obra de un montón de individuos (de los dos sexos) que se quedaban levantados por la noche hasta muy tarde. Pero al admirar su belleza y su amplitud, uno no puede evitar sentirse incómodo y deseoso de algo más sencillo, de un modelo que hasta un griego de la Antigüedad pudiese amar.
Escuchad: ¿no oís una risa que sale del vacío?
Y el Señor contempló Su mundo, y Se maravilló de su belleza; pues tanta era, que lloró. Era un mundo de un solo tipo de partícula y una sola fuerza, llevada por un único mensajero que era también, con divina simplicidad, la única partícula.
Y el Señor contempló el mundo que había creado y vio que además era aburrido. Así que calculó y sonrió, e hizo que Su universo se expandiese y enfriase. Y he aquí que se enfrió lo bastante para que se activase Su seguro y fiel servidor, el campo de Higgs, que antes del enfriamiento no podía soportar el increíble calor de la creación. Y bajo el influjo de Higgs, las partículas tomaron energía del campo, la absorbieron y fueron cogiendo masa. Cada una la fue cogiendo a su manera, no todas de la misma manera. Algunas cogieron una masa increíble, otras sólo una pequeña, algunas, ninguna. Y mientras antes sólo había una partícula, ahora había doce, y mientras antes el mensajero y la partícula eran lo mismo, ahora eran diferentes, y mientras antes sólo había un vehículo de la fuerza y una sola fuerza, ahora había doce vehículos y cuatro fuerzas, y mientras antes había una belleza sin fin y sin sentido, ahora había demócratas y republicanos.
Y el Señor contempló el mundo que había creado y le entró una risa totalmente incontrolable. Y llamó a Su presencia a Higgs y, reprimiendo Su alegría, habló con él con una gran seriedad y le dijo:
—¿Por qué razón habéis destruido la simetría del mundo?
Y Higgs, conmovido por la menor indicación de desaprobación, se defendió diciendo:
—¡Oh!, Jefe, no he destruido la simetría. Sólo he hecho que se oculte mediante el artificio del consumo de energía. Y al proceder así he, en efecto, hecho un mundo complicado.
—¿Quién podría haber previsto que de ese conjunto pavoroso de objetos idénticos podríamos tener núcleos y átomos y moléculas y planetas y estrellas?
—¿Quién podría haber predicho los crepúsculos y los océanos y el hervidero orgánico creado por todas esas moléculas terribles que el relámpago y el calor agitaron? ¿Y quién podría haber esperado la evolución y esos físicos que tientan y sondean y buscan para descubrir lo que yo, en Vuestro servicio, he ocultado tan cuidadosamente?
Y el Señor, que a duras penas retenía Su risa, le hizo señal a Higgs de Su perdón y de una buena subida de sueldo.
EL NOVÍSIMO TESTAMENTO 3:1
Nuestra tarea será en este capítulo convertir la poesía (¿?) del Novísimo Testamento en la dura ciencia de la cosmología de partículas. Pero justo ahora no podemos abandonar nuestra discusión del modelo estándar. Quedan unos cuantos cabos sueltos por atar, y unos pocos que no podemos atar. Aquéllos y éstos son importantes a la hora de hablar del modelo estándar y de más allá del modelo estándar, y debo contar algunos triunfos experimentales más que sentaron con firmeza nuestra visión actual del micromundo. Estos detalles dan una idea del poder del modelo y también de sus limitaciones.