Descubriendo las partículas elementales (Parte I: del electrón a los neutrinos)

Descubriendo las partículas elementales (Parte I: del electrón a los neutrinos)

En esta (primera) entrada recorreremos la historia de la física de partículas hasta la mitad del siglo XX. Veremos cómo se descubrieron las primeras partículas que por entonces se creían fundamentales: electrones, protones y neutrones. La complicación introducida por el descubrimiento de nuevas partículas como piones y muones. La introducción del neutrino para salvar el principio de conservación de la energía y el desarrollo del primer modelo de partículas mensajeras con la introducción de una nueva interacción fundamental: la fuerza fuerte. En resumen, las ideas que guiaron a los físicos de inicios del siglo pasado a introducir y conformar lo que hoy es la tabla periódica de los físicos. Quédate y coge sitio porque el viaje es largo y entretenido.

CUANDO EL MUNDO ERA SENCILLO

Hoy día adentrarse mínimamente en el mundo de la física de partículas es una hercúlea tarea al inicio. Cientos de partículas, montones de propiedades (carga, sabor, paridad, extrañeza…). Pero en un principio no fue así. A principios del siglo XX el mundo era sencillo.

ELECTRONES

Todo comenzó por el descubrimiento del electrón por Thomsom en 1897. La naturaleza de los rayos catódicos (corrientes eléctricas en tubos que contienen gases a bajas presiones) era confusa. Tales rayos debían estar cargados negativamente y atravesaban pantallas sin agujerearlas. Thomsom supuso que estos rayos se componían de diminutos corpúsculos y consiguió medir la velocidad y el ratio carga/masa de estos. Este ratio resultó más de un millar de veces superior al del ión Hidrógeno, lo que implicaba que o bien las partículas estaban fuertemente cargadas o eran muy livianas. Thomsom supuso que estas partículas formaban parte de los átomos, lo que implicaba que estos no eran indivisibles. Podríamos considerar este estudio como el nacimiento de la física de partículas.

Esquema original de Thomsom del tubo de Crookes que utilizó en sus experimentos con rayos catódicos.

Thomsom propuso que el átomo debía consistir en una masa informe de carga positiva con los pequeños corpúsculos por él descubiertos incrustados dentro, consiguiéndose una carga total nula, pues la materia es neutra macroscópicamente. Pero luego vino Ernest Rutherford a echar su modelo por tierra.

Y es que Rutherford encontró (más bien sus estudiantes Geiger y Mardsen encontraron) que lanzando partículas alfa (núcleos de Helio) contra delgadas láminas de oro la mayoría las atravesaban sin apenas desviarse, algunas con ligeros desvíos y otras llegaban incluso a “rebotar”.

Esquema del experimento de dispersión de partículas alfa y resultado según modelo de Thomsom (apenas se desvían) y modelo de Rutherford. Sacada de aquí.

La curva de dispersión cuadraba con la del modelo teórico de dispersión por un potencial coulombiano (curva que encontró por él un matemático que sería su futuro yerno, ya que Rutherford era poco ducho en matemáticas), por lo que supuso que los átomos poseían un núcleo central cargado positivamente con los electrones orbitándolo sumamente alejados (como un mini-sistema solar, véase el logo de la página). Pero siempre hay un pez más grande en el ancho océano, y pronto echaron por tierra también este modelo.

PROTONES Y NEUTRONES

Y es que si los electrones orbitasen al núcleo, radiarían ondas electromagnéticas como toda carga sometida a aceleración, lo que les haría perder energía y precipitarse al núcleo en menos de lo que se tarda en decir fail (realmente menos, del orden de una milmillonésima de segundo. Sí, tengo que cambiar el logo). El siguiente en proponer modelo fue Niels Bohr, cuantizando el momento angular que los electrones podían tener en los átomos y por tanto sus órbitas, obteniendo por fin átomos estables y predicciones acertadas (para el hidrógeno solo). La cadena de peces grandes no acaba aquí, este modelo también sería desechado. Pero eso lo dejaremos para futuras entradas 🙂 . Mientras tanto, un vídeo de Quantum Fracture, para que veáis que los átomos no son así.

Siguiendo con Rutherford, en 1918 estudiaba la dispersión de partículas alfa por un gas de nitrógeno, de los cuales resultaban despedidos nuevos átomos de hidrógeno. Esto, sumado al hecho de que la masa de los átomos más livianos es un número entero de veces la masa del átomo de hidrógeno  le llevó a proponer que los núcleos de hidrógeno eran partículas singulares y elementos básicos de todos los núcleos atómicos, descubriéndose así el protón.

Pero dado que los átomos son neutros, no podemos explicar que el Helio tenga cuatro veces mas masa que el hidrógeno si solo tiene dos electrones y por tanto dos protones. Y si tuviera cuatro protones, el átomo no sería eléctricamente neutro. Esto llevó a Rutherford a postular la existencia de partículas sin carga, desconocidas por aquel momento, que darían cuenta de este exceso de masa, a la par que ayudarían a apantallar la repulsión coulombiana entre protones. Partículas que recibirían finalmente el nombre de neutrones, por ser neutras, y fueron descubiertas por Chadwick (quien había sido discípulo de Rutherford) en 1932.

Chadwick no especuló acerca del papel que el neutrón jugaría en la composición nuclear. Eso lo hizo Werner Heisenberg, ya famoso por el desarrollo de la mecánica matricial. En aquella época se creía que los neutrones eran un sistema protón-electrón ligado, y Heisenberg supuso que el núcleo se mantenía unido por el continuo intercambio entre protones y neutrones del electrón interno de los neutrones, convirtiéndose continuamente los protones en neutrones y viceversa. Pero estudios espectroscópicos demostraron que esta imagen era falsa.

La razón es que el espectro depende fuertemente del número de partículas en el núcleo, pues si es par se comportará como un bosón -espín entero- y si es impar como un fermión- espín semientero-. Para la molécula N_2 se tenía un espectro de bosón, pero si su peso atómico era 14 y su número atómico 7, en el núcleo debían haber 14 protones de los cuales 7 tendrían electrones dentro, con lo que el núcleo constaría de 21 partículas haciendo que debiera comportarse como un fermión, cosa que no sucedía. Con la introducción del neutrón como partícula independiente, el núcleo constaba así de 14 entidades. Para más inri, el propio Chadwick midió la masa del neutrón siendo esta ligeramente mayor a la suma protón más electrón, pero como vimos en la entrada sobre masa en relatividad la masa de un sistema ligado debe ser menor que la suma de las masas de sus constituyentes. Estas y otras consideraciones hicieron a Heisenberg introducir un nuevo número cuántico (isoespín) y una nueva simetría de la naturaleza (no exacta), que veremos en una entrada próxima.

FOTONES

Para cerrar el jardín de las partículas “elementales” al inicio del siglo XX necesitamos incluir al fotón. Su historia es conocida: para 1900 Max Planck pudo explicar el espectro de cuerpo negro introduciendo en su teoría que los intercambios energéticos radiación-materia debían estar cuantizados. Esto es, debían darse en paquetes de energía concreta (cuantos de energía hf, con f la frecuencia de la radiación). Albert Einstein fue más allá, suponiendo que era la propia radiación la que estaba cuantizada, compuesta de partículas que más tarde el químico Lewis denominaría fotones. Con ello pudo explicar el efecto fotoeléctrico. Pero el escepticismo general impidió que esta visión calara, y no fue hasta 1916 con los experimentos de Millikan sobre el efecto fotoeléctrico  (intentando demostrar que Einstein estaba equivocado, ejem, ejem…) que cuajó. El efecto Compton de dispersión fotón-electrón descubierto en 1923 asentó de manera definitiva la naturaleza corpuscular del fotón (o no).

Así, para 1932 la pregunta “¿de qué esta hecha la materia?” recibía la respuesta más sencilla de su historia: todo consiste en protones, neutrones y electrones dando vueltas. Pero las cosas empezaron a complicarse.

Esquema del número de “constituyentes fundamentales” conocidos en cada época. Nótese que para 1930 se da la mayor reducción hasta el momento.

COMIENZAN LAS COMPLICACIONES

Para 1930 la mecánica cuántica estaba en su apogeo y la teoría cuántica de campos daba sus primeros pasos. ¿Y qué es eso de la teoría cuántica de campos? Pues llanamente una teoría cuántica que por el mero hecho de ser relativista permite la creación y destrucción de partículas, entendidas como excitaciones (cuantos) de un campo. El primer campo en ser cuantizado fue el electromagnético, y el fotón surgía de manera natural como el cuanto de este campo. Dado que la interacción entre partículas cargadas se daba mediante la influencia por campos electromagnéticos entre ellas, la idea de que el fotón era el que mediaba la interacción electromagnética (cual mensajero que lleva el mensaje de “apártate” o el de “acércate”) comenzó a colarse en la mente de los físicos.

MESONES

El primero en utilizar y desarrollar esta idea fue el físico japonés Hideki Yukawa. A nadie le gustaba el modelo atómico imperante. ¿Como que protones juntos en el núcleo? ¿Qué pasa con la repulsión eléctrica? Sin duda, debía existir una fuerza en la naturaleza desconocida hasta entonces que mantuviera unido al núcleo, y su intensidad debía ser mucho mayor a la de la fuerza electromagnética. Los físicos de aquella época (una época menos imaginativa que la actual) la denominaron simplemente fuerza nuclear fuerte. Pero si esta fuerza era tan intensa, su rango de alcance debía ser muy pequeño para que no la notáramos en el día a día. ¿Cómo conjugar todas estas ideas?

Yukawa imaginó la interacción como sigue: un nucleón (a efectos de fuerza fuerte la interacción entre protones y neutrones es igual, por lo que se les denomina indistintamente nucleones) intercambia una partícula mensajera con otro nucleón lo que resulta en una interacción entre ambos. ¿De dónde sale la energía para crear esta partícula mensajera? Del principio de incertidumbre de Heisenberg: \Delta E \Delta t\approx \hbar. Se permite una violación \Delta E de la conservación de la energía durante un tiempo \Delta t tal que la relación anterior se cumpla. Ahora bien, la energía necesaria para crear este cuanto es su masa, luego \Delta E\approx mc^2. Así, las partículas mediadoras de interacciones pueden viajar durante un tiempo \Delta t\approx \hbar/mc^2. Fijémonos que esto explica que el rango de la interacción electromagnética sea infinito, ya que la masa de los fotones es nula. (Este argumento no es estrictamente cierto, pues el principio de incertidumbre realmente da un rango inferior. De ser cierto, podríamos asignar masa no nula a los fotones que mantienen unidos a los átomos. Lo que sí es cierto -y se deriva formalmente en teoría cuántica de campos- es que el rango de las interacciones depende de la inversa de la masa de las partículas mediadoras).

Diagramas de Feynman para la interacción entre nucleones por el intercambio de piones (cargados en este caso).

Para el núcleo, en el peor de los casos, el tiempo de viaje es la distancia d aproximada entre dos nucleones (un fermi, \sim 10^{-15}\: \mathrm{m}) entre la velocidad de la luz \Delta t=d/c. Así, podemos estimar la masa de esta partícula como:

    \begin{equation*} mc^2\approx \dfrac{\hbar c}{d} \end{equation*}

y nos sale una masa aproximada de 300 m_e, con m_e la masa del electrón, y aproximadamente un sexto de la masa del protón. Por ello, se le dio a esta partícula el nombre de mesón, donde el prefijo griego meso- indica “medio”, refiriéndose a que su masa está a mitad de camino entre la del electrón y la del protón.

Ya que nos arrancamos con la etimología, al electrón se lo clasificó como leptón por “ligero”, leptos en griego, y a los protones y neutrones se los clasificó como bariones por “pesado”, baryos. Por otro lado, electrón viene de elektron, por “ambar” en griego, con el cual se inició el descubrimiento de la electricidad estática, y protón viene del griego proto, que significa “primero”. Una anécdota interesante es la participación del padre de Heisenberg (que era lingüista) en estos asuntos. Al mesón se le puso al inicio el nombre de mesotrón, pues el sufijo –tron -presente en electrón y neutrón- parecía destinado a indicar que algo era una partícula. El padre de Heisenberg hizo notar que la posesión de -tr en estas palabras tenía origen etimológico -por ambar y neutro en griego-, con lo que finalmente se quedó solo en mesón (para disgusto de los franceses, pues se pronuncia igual que maison -casa-). Fin del paréntesis etimológico.

Pero tal partícula no había sido detectada, y Yukawa pensó que debía estar equivocado. No tardaría mucho el mundo en traerle esperanzas, ya que tres años después se encontraron partículas de masa similar (con lo que se clasificaron como mesones) estudiando la cascada de partículas producidas por los rayos cósmicos, tal y como Yukawa había sugerido ya que era la única manera en aquel momento de estudiar la creación de partículas masivas. Pero pronto la ilusión decayó, ya que estas partículas encontradas a nivel de tierra tenían un periodo de vida y unas masas distintas a las predichas por Yukawa («¿Who ordered that?» exclamó Isidore I. Rabi cuando conoció la existencia de estas partículas).

En 1946 los ánimos alcanzaron su mínimo, tras comprobar que las partículas encontradas en los rayos cósmicos no interactuaban con los núcleos atómicos: no podían ser el mesón de Yukawa. Pero un año después se esclareció el asunto: en las cascadas producidas por los rayos cósmicos se estaban produciendo dos tipos de partículas; el muón \mu (un hermano gordo del electrón) y el pión \pi (de hecho el número de piones existentes es tres: uno cargado positivamente, otro negativamente y un tercero neutro). Resulta que el periodo de desintegración del pión no le permitía llegar a tierra (ni con el efecto de dilatación temporal que se suele explicar para los muones). Estudios de alta altitud (a los Pirineos que se fueron) permitió a diversos experimentales confirmar la existencia de los mesones.

Fotografía del experimento en el que Powell encontró el mesón \pi (entrando por la esquina superior izquierda) decayendo en un muón. Nótese el abrupto giro de casi noventa grados al emitir el muón.

Además de todo lo anterior, destaquemos que el pión tiene espín nulo, lo que lo convierte en un bosón, al igual que el fotón cuyo espín es la unidad (en unidades de la constante de Planck \hbar). Por otro lado, protones, neutrones y electrones tienen espín 1/2, con lo que se clasifican como fermiones. Vemos así que lo que usualmente denominamos materia se compone de fermiones que interactúan mediante el intercambio de bosones (¿por qué bosones?), lo cual lleva en la divulgación usual a distinguir entre materia y partículas de fuerza. Pero esta distinción no es clara: aunque el fotón tenga masa nula (y por tanto nuestra intuición lo separe de lo que usualmente llamamos materia) el pión tiene masa no nula, y los bosones W y Z que encontraremos más adelante tienen una gran masa, así como el bosón de Higgs (pues la masa es una medida de la energía en reposo que almacena el campo!). Por tanto, esta distinción es confusa y en mi opinión no deberíamos hablar de materia y campos de fuerza, sino solo de campos, sus excitaciones y sus interacciones. Dejaremos para otra entrada profundizar en la visión del mundo desde la teoría cuántica de campos.

ANTIMATERIA

La mecánica cuántica usual, que todos conocemos, y con la que los libros de divulgación usual se ensañan es la mecánica cuántica no relativista. Su desarrollo (que no su interpretación) llevó poco tiempo, de 1923 a 1926. Pero de nuevo, no es relativista. La famosa ecuación de Schrödinger lleva a la relación entre energía y momento para partículas libres E=\frac{p^2}{2m}. Pero como ya vimos en el artículo de relatividad, la relación correcta es E^2-p^2 c^2=m^2c^4. Fue Paul Dirac quien se propuso solucionar esto, y encontró su famosa ecuación (¿la ecuación más bella de la física?).

Los más avispados habrán localizado ya el problema, y es que despejando en la ecuación relativista obtenemos para cada momento dos energías: una positiva y otra negativa. Y a la naturaleza le gusta ir a los mínimos de energía. Los electrones que vemos deberían caer a los infinitos niveles de energía negativos radiando una cantidad de energía infinita. Pero el mundo aun no se ha acabado. ¿Por qué no caen?

Dirac supuso que los niveles de energía negativos ya estaban llenos con un “mar” de electrones, y por el principio de exclusión de Pauli -que impide que dos fermiones ocupen el mismo estado-, los electrones que observamos no pueden caer a estos estados de energía negativa. Ahora bien, si se le aportase a uno de estos electrones la suficiente energía (por ejemplo absorbiendo un fotón) podría saltar al conjunto de estados de energía positiva y convertirse en un electrón observable. Pero esto dejaría un hueco en el mar de estados de energía negativa, hueco que a efectos prácticos se interpretaría como una carga positiva en tal localización con una energía positiva (al igual que ocurre en semiconductores cuando un electrón es arrancado, y su hueco se va desplazando por la red comportándose como una partícula positiva).

Mar de Dirac. La banda roja simboliza el “gap” de estados no permitidos por tener menos energía en valor absoluto que la energía en reposo (masa) de un electrón. Si un fotón “promociona” un electrón del mar de estados negativos al de positivos se creará un hueco, que actuará como una partícula cargada positivamente (creación par electrón-positrón). Si en cambio un electrón desciende a rellenar un hueco, se emitirá un fotón con la energía correspondiente (aniquilación par electrón-positrón).

Dirac pensó que tales huecos serían protones, pero un estudio detallado revela que la masa de los huecos es la misma que la de los propios electrones. Y tal partícula no se había encontrado para 1927, cuando Dirac propuso su ecuación. Pero no tuvo que esperar mucho, pues Anderson la descubrió en 1931. Se bautizó a tal partícula como positrón, un gemelo positivamente cargado del electrón.

Fotografía de la traza del positrón en una cámara de niebla inmersa en un campo magnético, tomada por Anderson. La franja central es una placa de plomo de 6 mm de espesor. Esta placa es necesaria para distinguir si se trata de una partícula positiva viajando de “abajo a arriba” o una partícula negativa haciendo lo contrario. Dado que el radio de giro (las partículas cargadas giran en campos magnéticos) es menor en la parte superior, la partícula debe provenir de abajo y perder energía al atravesar la placa de plomo. Por la dirección en la que se curva su trayectoria, su carga es positiva y la masa y carga coincide con la del electrón, por lo que debía ser el positrón.

Pero los físicos no estaban conformes con la visión del mar de Dirac. Esto se arregló en los años cuarenta con la interpretación de Feynman-Stueckelberg: los estados de energía negativos se interpretan como estados de energía positivos de una partícula diferente (el positrón en el caso del electrón), con lo que ambas partículas están en pie de igualdad. Así nació el concepto de antipartícula.

La idea del mar de Dirac se desechó, pues con el tiempo se vio que este dualismo partícula-antipartícula era común en el estudio de las teorías cuánticas de campos. En 1955 se descubrió el antiprotón \overline p y un año después el antineutrón \overline n (usualmente a las antipartículas se las denota con una barra superior, aunque para algunas es costumbre simplemente cambiar el signo de la carga eléctrica. Por ejemplo, si el electrón se denota e^- el positrón se suele denotar e^+. De igual manera, tenemos para el muón \mu^- y para el antimuón \mu^+, etc).

Algunas partículas son su propia antipartícula, por ejemplo el fotón es su propia antipartícula (i.e., son indistinguibles) \gamma=\overline{\gamma}. Diréis que esto es lógico, claro, el fotón no tiene carga que cambiar. ¿Pero y el neutrón? ¿De ese no decís nada? Resulta que una antipartícula no tiene únicamente carga eléctrica opuesta respecto a su partícula, sino que tiene todos los números cuánticos aditivos (número leptónico, número bariónico…) opuestos. Pero esto lo veremos más adelante. Por otro lado, lo que llamamos materia o antimateria es cuestión de convención, ya que no hay una diferencia fundamental. Pero por motivos aun desconocidos, a nuestro alrededor tenemos una apabullante cantidad de electrones y pocos positrones, por lo que llamar a estos materia parece lo natural.

NEUTRINOS

Hablemos por último de neutrinos dentro de esta tanda de complicaciones.

Para 1930 se observó un problema en el estudio de la desintegración beta, consistente en que un átomo padre decae en un átomo hijo y un electrón (partícula denominada beta en sus inicios): A\to B+e^{-}. Conservación de la carga obliga a que el átomo hijo posea un protón más que el padre. Ahora bien, si se mide la energía del electrón esta debería estar fijada, pues en una desintegración a dos cuerpos la conservación simultánea de energía y momento fija la energía de los cuerpos resultantes. En concreto, la del electrón debía ser:

    \begin{equation*} E=\left(\dfrac{m_A^2-m_B^2 +m_e^2}{2m_A}\right) c^2 \end{equation*}

Pero resulta que midiendo una y otra vez la energía del electrón emitido se obtenía una distribución de energías como la siguiente,

Sacada de aquí.

correspondiendo la expresión anterior a la energía máxima posible con la que salía el electrón.

Esto verdaderamente martirizó a los físicos de la época (Bohr ya pensaba en renunciar al principio de conservación de la energía). Pero Wolfgang Pauli dio con la solución: alguna partícula extra debía estar siendo emitida en tales desintegraciones. Dado que no dejaba huella en los detectores, debía ser eléctricamente neutra, y además extremadamente ligera, dado que su inclusión disminuiría ligeramente la energía máxima posible para el electrón pero esta apenas variaba. Pauli propuso llamarla neutrón, pues aun no había sido descubierto. Pero en cuanto Chadwick lo descubrió, se apropió del nombre. Más adelante en un seminario al respecto en Italia alguien preguntó si esta partícula era la misma que el “neutrón de Chadwick”, y Fermi salió al rescate diciendo que el de Pauli era “el pequeño”. De ahí la adición del sufijo –ino, diminutivo en italiano.

Realmente, en la desintegración beta lo que ocurre es que un neutrón decae a un protón, un electrón y un antineutrino (el porqué del anti– lo entenderás en breve):

    \begin{equation*} n\to p + e^- +\overline{\nu} \end{equation*}

Esta partícula caló rápidamente en el imaginario de los físicos gracias a que el propio Fermi desarrolló una teoría para explicar la desintegración beta, teoría que desembocaría (pues en sus inicios era una teoría de contacto, sin bosones intermediarios) en la introducción de una nueva fuerza, la fuerza nuclear débil, que explicaría las desintegraciones de los núcleos.

Si te fijas en la foto obtenida por Powell de la desintegración del pión que he puesto más arriba, este sufre un cambio abrupto en su dirección de noventa grados. Estos cambios no pueden darse por meros choques con átomos. Lo más natural (o quizá económico) era suponer que en tal desintegración se estaba emitiendo también el neutrino predicho por Pauli: \pi\to \mu +\nu. Posteriormente también se encontró que el muón podía decaer según \mu\to e+2\nu (el porqué dos neutrinos y no uno tiene de nuevo que ver con que la energía del electrón no era siempre igual, como una caída a dos cuerpos demanda -que era lo que se veía en la desintegración del pión-).

Para 1950 teníamos evidencia directa de la existencia de neutrinos, pero no verificación experimental. Era una partícula que no dejaba seña a su paso por detectores, que no decae… solo estaba ahí para salvar la conservación de la energía. Se lo estábamos poniendo fácil a Bohr para abandonarla.

La razón de que fuera tan difícil detectarlos es que los neutrinos interactúan débilmente con la materia. Un neutrino medianamente energético podría atravesar una placa de plomo de un espesor de mil años luz sin interactuar. De hecho, cada segundo millones de neutrinos atraviesan cada centímetro cuadrado de tu piel provenientes del Sol. Día y noche (de noche atraviesan toda la Tierra antes de atravesarte a ti). Pero los experimentales Reines y Cowan vinieron al rescate.

El truco viene de un concepto general llamado “simetría de cruce”. Esta simetría implica que en un proceso dado podemos pasar partículas de un lado al otro de la reacción sin más que convertirlas en su antipartícula, y el proceso es fundamentalmente el mismo. Así, si un proceso A+B\to C+D es permitido, los procesos A\to \overline B + C+D y A+\overline C \to \overline B+D también (diferenciemos aquí entre dinámica y cinemáticamente permisible: un proceso está permitido si respeta la conservación de ciertos números cuánticos -dinámicamente posible-, pero puede no estar permitido si por ejemplo la masa o energía de las partículas de partida no es suficiente -cinemáticamente posible-).

Así, Reines y Cowan dispusieron un gran tanque de agua (muchos protones disponibles) cercano a una pila atómica en una central nuclear (donde la fisión va acompañada de ingentes emisiones de neutrinos) y buscaron encontrar positrones provenientes de la desintegración beta “inversa” \overline{\nu}+ p\to n+e^+. Pese a que el flujo teórico de neutrinos era de mas de un billón por segundo, solo era esperable observar dos o tres eventos a la hora. Para asegurarse de que detectaban la reacción adecuada, la disposición experimental fue sumamente cuidadosa: los contadores de neutrones y positrones solo se activarían cuando ambos detectaran una señal casi a la vez, lo cual es harto improbable si no está sucediendo tal reacción. Además, una vez apagada la pila atómica de la central los contadores no se encendían. Este experimento supuso la verificación de la existencia del neutrino.

Veamos ahora porqué dijimos que en la desintegración beta se emitían antineutrinos. Es más, si los neutrinos son neutros, ¿que los distingue de sus antipartículas?

De nuevo, por simetría de cruce nos podríamos plantear la reacción \nu+n\to p+e^-. Pero resulta que si intentamos esta misma reacción con antineutrinos \overline{\nu} +n\to p+e^- no ocurre nunca. Por lo que neutrino y antineutrino deben ser partículas distintas. Para diferenciarlas, se introdujo un nuevo número cuántico (aditivo): el número leptónico. Así, muón, electrón y neutrino tendrían número leptónico L=+1, y sus antipartículas L=-1. La conservación de este número permite que \nu+n\to p+e^- ocurra (L=1 antes y después) pero no permite \overline{\nu} +n\to p+e^- (L=-1 antes y L=+1 después). Esto hace que debamos corregir reacciones escritas anteriormente: la desintegración del pión debe escribirse \pi\to \mu+\overline{\nu} y la del muón \mu^-\to e^-+\nu+\overline{\nu}.

Pero la historia no acaba aquí. Hasta entonces, se pensaba en el muón como un electrón “gordete”, por lo que debía estar cinemáticamente permitido que decayera como \mu^-\to e^-+\gamma. Pero esto nunca ocurría. Debía haber algún mecanismo por el que la “mu-eneza” se conservara. Pero entonces, ¿por qué la reacción \mu^-\to e^-+\nu+\overline{\nu} sí ocurría?

De nuevo, ya con la carrerilla cogida, los físicos introdujeron una sutileza a esto del número leptónico. Supusieron que había dos tipos de números leptónicos: el electrónico y el muónico. Con ello, a los neutrinos se les denomina con el subíndice correspondiente a su leptón asociado: \nu_e, \nu_{\mu} (este último detectado por Leon Lederman y compañía, estudiante de doctorado de Fermi y a quien este dirigió la frase que encabeza la portada de este artículo). Estos números leptónicos se conservan por separado. Así, las reacciones debemos reescribirlas como n\to p+e^-+\overline{\nu}_e (se conserva carga y número leptónico electrónico), \pi^{\pm}\to \mu^{\pm}+\overline{\nu}_{\mu}, etc.

Anteriormente dijimos que era natural y económico suponer que en estas desintegraciones el neutrino emitido era el predicho por Pauli. Sí, era lo más natural, era lo más económico, pero era lo equivocado.

Destaquemos que en esta entrada no hemos querido profundizar (aunque sí lo haremos algún día) en el detalle de los experimentos, contentándonos con explicar superficialmente los más sencillos. Pero sí hemos intentado recalcar las preguntas que se hacían los investigadores y cómo estas les condujeron a las ideas y conceptos con los que ahora nos manejamos en física de partículas. En la siguiente tabla resumimos este binomio concepto/pregunta que responde:

Partícula/concepto Responde a la pregunta:
Electrón ¿qué son los rayos catódicos?
Protón ¿cómo explicamos el experimento de dispersión de Rutherford?
Neutrón ¿cómo explicamos la carga y masa de los núcleos atómicos?
Interacción fuerte ¿cómo se sobreponen los núcleos a la repulsión electromagnética?
Mesón \pi ¿quién transmite la interacción fuerte?
Antimateria ¿qué sentido tienen las soluciones de energía negativa?
Neutrino ¿por qué el espectro de emisión de rayos beta es continuo?
Interacción débil ¿cómo se produce la desintegración beta?

Y aquí paramos esta primera entrada. Hemos visto el descubrimiento de lo que hasta mediados del siglo XX se creía que conformaba la materia ordinaria: neutrones y protones mantenidos unidos por la fuerza fuerte y electrones interactuando electromagnéticamente con el núcleo. Sí, pequeñas complicaciones hicieron necesario introducir al neutrino y al mesón \pi, y se tenía por ahí danzando a un hermano gordo del electrón que no se sabía demasiado bien dónde encajaba (ni si quiera hoy día se sabe). Pero la historia se complicaría aun más en los años sucesivos. En la siguiente entrada veremos como siguió todo hasta culminar con la teoría más fundamental que tenemos hasta el momento en física: el modelo estándar.

2 comentarios en “Descubriendo las partículas elementales (Parte I: del electrón a los neutrinos)”

    • Me lo tomaré como un cumplido, Antonio 😛 Frase que podría pertenecer a alguno de nuestros «grandes» políticos.

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