La partícula divina (65 page)

El experimento estaba en marcha en 1981. Todo estaba en su sitio —el UA-1, el UA-2, el anillo AA—, comprobado y listo. Las primeras sesiones, diseñadas como pruebas de comprobación de todas las partes del complejo sistema que formaban el colisionador y el detector, fueron razonablemente fructíferas. Hubo averías, equivocaciones, accidentes pero, al final, ¡datos! Y todo a un nivel nuevo de complejidad. El Congreso Rochester de 1982 se iba a celebrar en París, y el CERN, el laboratorio entero, se puso a obtener resultados.

Paradójicamente, el UA-2, el detector de última hora, consiguió el primer exitazo al observar chorros, los estrechos manojos de hadrones que son la huella de los quarks. Al UA-1, que todavía estaba aprendiendo, se le escapó este descubrimiento. Cuando David bate a Goliat, todos se regocijan, menos Goliat. En este caso Rubbia, que odia perder, reconoció que la observación de los chorros fue un verdadero triunfo del CERN, que todo ese esfuerzo en máquinas, detectores y programas de ordenador había rendido el fruto de un indicador sólido. ¡Todo funcionaba! Si se habían visto los chorros, pronto se verían los W.

Quizá un viaje fantástico pueda ilustrar mejor cómo funcionan los detectores. Me paso aquí al detector CDF del Fermilab porque es más moderno que el UA-1, aunque la idea general de todos los detectores «cuatro pi» es la misma. (Cuatro pi —4π— quiere decir que el detector rodea por completo el punto de colisión.) Recordad que cuando chocan un protón y un antiprotón, brota un surtidor de partículas desperdigadas en todas las direcciones. En promedio, un tercio son neutras, las demás cargadas. La tarea es hallar con exactitud el lugar adonde va a parar cada partícula y qué hacen. Como pasa con cualquier observación física, uno tiene éxito sólo parcialmente.

Subámonos en una partícula. La de la traza número 29, por ejemplo. A toda pastilla, se desvía en cierto ángulo de la línea de la colisión, se encuentra con la fina pared metálica de la vasija de vacío (el tubo del haz), la atraviesa, sin despeinarse, y a lo largo del medio metro siguiente o así pasa a través de un gas que contiene un número inmenso de hilos de oro finísimos. Aunque no haya señal que lo diga, este es el territorio de Charpak. La partícula pasará seguramente cerca de unos cuarenta a cincuenta hilos antes de llegar al final de la cámara de seguimiento. Si la partícula está cargada, cada cable cercano registra su paso, junto con una estimación de lo cerca que ha pasado. La información de los hilos acumulada define el camino de la partícula. Como la cámara de hilos está en un fuerte campo magnético, el camino de la partícula cargada se curva, y una medición de esta curva, calculada por el ordenador de a bordo, le da al físico el momento de la partícula número 29.

La partícula atraviesa a continuación la pared cilíndrica que define la cámara magnética de hilos y entra en un «sector calorimétrico», donde se le mide la energía. Qué hace entonces la partícula depende de qué sea. Si es un electrón, va perdiendo su energía en una serie de placas delgadas de plomo espaciadas muy estrechamente, y la deja toda a los sensibles detectores que dan de comer a los emparedados de plomo. El ordenador observa que el progreso de la número 29 acaba a los ocho o diez centímetros del calorímetro de centelleo de plomo, y concluye: ¡un electrón! Si, en cambio, la número 29 es un hadrón, penetra de veinticinco a cincuenta centímetros en el material del calorímetro antes de agotar toda su energía. En ambos casos se mide la energía y se contrasta con la medición del momento, determinada por la curvatura de la trayectoria de la partícula en el imán. Pero el ordenador deja graciosamente al físico que saque una conclusión.

Si la número 29 es una partícula neutra, la cámara de seguimiento no la registra en absoluto. Cuando pasa al calorímetro, su comportamiento es esencialmente el mismo que el de una partícula cargada. En ambos casos, la partícula produce colisiones nucleares con los materiales del calorímetro, y los residuos producen nuevas colisiones hasta que se acaba toda la energía original. Podemos, pues, registrar y medir las partículas neutras, pero no hacer un diagrama de su momento, y perdemos precisión en la dirección del movimiento pues no deja ninguna traza en la cámara de hilos. Una partícula neutra, el fotón, se puede identificar con facilidad por la relativa rapidez con que la absorbe el plomo, como pasa con el electrón. Otra partícula neutra, el neutrino, abandona por completo el detector llevándose su energía y su momento sin dejar atrás ni siquiera una pizca de su fragancia. Finalmente, el muón se mueve por el calorímetro dejando un poco de energía (no sufre colisiones nucleares fuertes). Cuando sale, se encuentra con de tres cuartos de metro a metro y medio de hierro, que atraviesa sólo para toparse con un detector de muones (cámaras de hilos o contadores de centelleo). Así se les sigue la pista a los muones.

Se hace esto con todas y cada una de las cuarenta y siete partículas, o el número que sea, de ese suceso en particular. El sistema almacena los datos, cerca de un millón de bits de información —equivalente a la información de un libro de cien páginas— por cada suceso. El sistema de recogida de datos debe decidir velozmente si este suceso es interesante o no; debe descartarlo o registrarlo, o pasar los datos a un «buffer» de memoria y borrar todos los registros para que cuando llegue el siguiente suceso esté listo, lo que, en promedio, si la máquina funciona muy bien, ocurrirá en una millonésima de segundo. En la sesión completa más reciente del Tevatrón (1990-1991), la cantidad total de información fue equivalente al texto de un millón de novelas o cinco mil colecciones de la
Encyclopaedia Britannica
.

Entre las partículas que salen hay algunas cuyas vidas medias son muy cortas. Quizá se muevan sólo unos pocos milímetros desde el punto de colisión en el tubo del haz antes de desintegrarse espontáneamente. Los W y los Z viven tan poco que su distancia de vuelo no se puede medir, y hay que identificar su existencia a partir de las mediciones que se hacen sobre las partículas a las que dan lugar y que a menudo están ocultas entre los residuos que salen disparados de cada colisión. Como el W tiene mucha masa, los productos de desintegración tienen una energía mayor que la media, lo que sirve para localizarlos. Partículas tan exóticas como el quark
top
o la partícula de Higgs tendrán un conjunto de modos esperados de desintegración que deberá extraerse del barullo de las partículas que salen.

El proceso de convertir un número enorme de bits de datos electrónicos en conclusiones acerca de la naturaleza de las colisiones requiere unos esfuerzos impresionantes. Hay que comprobar y calibrar decenas de miles de señales; hay que inspeccionar decenas de miles de líneas de código, y verificarlas observando sucesos que han de «tener sentido». Poco sorprende que a un batallón de profesionales (aun cuando quizá se les clasifique oficialmente como estudiantes graduados o posdoctorados) muy dotados y motivados, armados con estaciones de trabajo poderosas y códigos de análisis bien afinados, les lleve dos o tres años dar cuenta de los datos reunidos en una sesión del colisionador Tevatrón.

En el CERN, pioneros de la física de los colisionadores, todo salió bien, y el diseño se validó. En enero de 1983, Rubbia anunció el W. La señal consistió en cinco sucesos claros que podían interpretarse sólo como la producción y desintegración subsecuente de un objeto W.

Un día después o así, el UA-2 anunció que tenía cuatro sucesos más. En ambos casos, los experimentadores tuvieron que abrirse paso entre un millón de colisiones que produjeron toda suerte de residuos nucleares. ¿Cómo convencer a uno mismo y a la multitud de escépticos?

La desintegración concreta del W que se presta más a ser descubierta es
W
⁺
→ e
⁺
+ neutrino, o
W
⁻
→ e
⁻
+ antineutrino. En un análisis detallado de este tipo de suceso hay que verificar 1) que la traza simple observada es en efecto la de un electrón y no otra cosa, y 2) que la energía del electrón viene a ser alrededor de la mitad de la masa del W. Cabe deducir el «momento perdido» que se lleva el neutrino invisible sumando todos los momentos vistos en el suceso y comparándolos con «cero», que es el momento del estado inicial de las partículas que chocan. Facilitó mucho el descubrimiento el feliz accidente de que los parámetros del colisionador del CERN sean tales que el
W
se forme casi en reposo. Para descubrir una partícula, hay que satisfacer muchas condiciones. Una importante es que todos los sucesos candidatos ofrezcan el mismo valor (dentro de los errores de medición alcanzables) de la masa del W.

A Rubbia se le concedió el honor de presentar sus resultados a la comunidad del CERN, y, lo que no es propio de él, estaba nervioso: se habían invertido ocho años de trabajo. Su charla fue espectacular. Tenía todas las bazas en la mano, y además la suficiente capacidad de dar espectáculo como para comunicarlas con una lógica apasionada (¡!). Hasta quienes odiaban a Rubbia se alegraron. Europa tenía su premio Nobel, que se concedió como era debido a Rubbia y Van der Meer en 1985.

Unos seis meses tras el éxito del W, apareció el primer indicio de la existencia del compañero neutro, el Z cero. Con carga eléctrica nula, se desintegra, entre otras posibilidades, en un
e
⁺
y un
e
⁻
(o un par de muones,
μ
⁺
y
μ
⁻
). ¿Por qué? Para quienes se hayan quedado dormidos durante el capítulo previo, como el Z es neutro, las cargas de sus productos de desintegración deben anularse mutuamente, así que los productos lógicos de su desintegración son las partículas de cargas opuestas. Como se pueden medir con precisión tanto los pares de electrones como los pares de muones, el
Z°
es una partícula más fácil de reconocer que el
W
. El problema es que el
Z°
es más pesado que el
W
, y se producen pocos. Con todo, a finales de 1983 quedó establecida la existencia del
Z°
tanto por el UA-1 como por el UA-2. Con el descubrimiento de los W y del
Z°
y la determinación de que sus masas eran precisamente las predichas, la teoría electrodébil —que unificaba el electromagnetismo y la interacción débil— se confirmó sólidamente.

A la altura de 1992, el UA-1, el UA-2 y la nueva criatura, el CDF, en el Tevatrón del Fermilab, habían recogido decenas de miles de W. Ahora se sabe que la masa del W es de unos 79,31 GeV. Se recogieron unos dos millones de
Z°
en la «fábrica de
Z°
» del CERN, el LEP (el Gran Anillo de Almacenamiento de Electrones y Positrones), un acelerador de unos veintisiete kilómetros de circunferencia. La masa que se le ha medido al
Z°
es de 91,175 GeV.

Algunos aceleradores se convirtieron en fábricas de partículas. Las primeras —en Los Álamos, Vancouver y Zurich— producían piones. Canadá está diseñando en estos momentos una fábrica de
kaones
. España quiere una fábrica de
tau
-encanto. Hay tres o cuatro propuestas de fábricas de
beauty
o
bottom
, y la fábrica de
Z°
del CERN estaba, en 1992, en plena producción. A un proyecto de
Z°
de menor calibre en el SLAC se le podría llamar más apropiadamente un desván o quizás una boutique.

¿Por qué fábricas? El proceso de producción se puede estudiar en gran detalle, y hay, en especial para las partículas de mayor masa, muchos modos de desintegración. Se quieren muestras de un montón de miles de sucesos de cada uno de ellos. En el caso del pesado
Z°
, hay un número enorme de modos, de los cuales se aprende mucho acerca de las fuerzas electrodébiles y débiles. También se aprende gracias a lo que no existe. Por ejemplo, si la masa del quark
top
es menos de la mitad de la que tiene el
Z°
, entonces tendremos (obligatoriamente) que
Z° → top + antitop
. Es decir, un Z cero puede desintegrarse, si bien raramente, en un mesón, compuesto por un quark
top
vinculado a un quark
antitop
. Es mucho más probable que el
Z°
se desintegre en pares de electrones o de muones o de quarks
bottom
, como se ha mencionado. El éxito de la teoría en la explicación de esos pares nos anima a creer que es predecible la desintegración del
Z°
en
top
/
antitop
. Decimos que es obligatoria a causa de la regla totalitaria de la física. Si hacemos suficientes Z, deberíamos, según las probabilidades de la teoría cuántica, ver pruebas del quark
top
. Pero en los millones de
Z°
producidos en el CERN, el Fermilab y en otras partes, nunca hemos visto esa desintegración concreta. Esto nos dice algo importante acerca del quark
top
. Tiene que ser más pesado que la mitad de la masa del
Z°
. Por esa razón no puede producirlo el
Z°
.

Los teóricos que siguen una senda u otra hacia la unificación han propuesto un espectro muy amplio de partículas hipotéticas. Lo usual es que el modelo especifique bien las propiedades de esas partículas, menos la masa. Que no se vea estas «exóticas» pone un límite inferior a sus masas, según la regla de que cuanto mayor es la masa más cuesta producir la partícula.

En esto hay implícito un poco de teoría. El teórico Lee dice: una colisión p/p barra producirá una partícula hipotética —llamadla
leeón
— si en la colisión hay la suficiente energía. Pero la probabilidad o frecuencia relativa de producción del
leeón
depende de su masa. Cuando más pesado sea, menos frecuentemente se producirá. El teórico se apresura a ofrecer un gráfico que relaciona el número de
leeones
producidos por día con la masa de la partícula. Por ejemplo: masa = 20 GeV, 1.000
leeones
(marea); 30 GeV, 2
leeones
; 50 GeV, una milésima de
leeón
. En el último caso habría que dejar funcionar el equipo mil días para conseguir un suceso, y los experimentadores suelen insistir en que haya al menos diez, pues tienen problemas adicionales con la eficiencia y los sucesos de fondo. Así que tras una sesión dada, de 150 días, digamos (una sesión de un año), en la que no se encuentran sucesos, se mira la curva, se sigue por ella hasta donde deberían haberse producido, por ejemplo, diez sucesos, que corresponden a una masa de, digamos, 40 GeV para el
leeón
. Una evaluación conservadora establece que podrían haberse perdido unos cinco sucesos. La curva, pues, nos dice que si la masa fuese de 40 GeV, habríamos visto una señal débil de unos cuantos sucesos. Pero no vemos nada. Conclusión: la masa es mayor que 40 GeV.