Partículas que nadie pidió

Con electrón, protón, neutrón y fotón, la materia quedaba explicada y la física de partículas podía cerrar por vacaciones. Duró poco. Durante veinte años, cada vez que alguien miraba con cuidado las partículas que caen del cielo, aparecía algo nuevo — y ninguna de las novedades tenía un hueco reservado en la teoría.

El laboratorio gratuito

Antes de los aceleradores, el único proveedor de partículas de alta energía era el cielo. Los rayos cósmicos — protones y núcleos que llegan del espacio con energías que ningún acelerador ha igualado todavía — chocan con la atmósfera y producen cascadas de partículas secundarias. Para verlas había dos instrumentos: la cámara de niebla, donde cada partícula cargada deja un rastro de gotitas fotografiable, y las emulsiones nucleares, placas fotográficas que se dejaban semanas en una montaña y se revelaban después.

La escala del fenómeno merece un número: al nivel del mar te atraviesa un muón por centímetro cuadrado cada minuto. Por la uña de tu pulgar, uno por minuto; por tu cuerpo, cientos por segundo. Llevan cruzándote la vida entera.

1936 · El muón: «¿Quién ha pedido esto?»

Había una predicción en el aire. Yukawa había propuesto en 1935 que la fuerza que pega el núcleo la transmite una partícula de masa intermedia entre el electrón y el protón (el cálculo, abajo). Así que cuando Anderson y Neddermeyer encontraron en los rayos cósmicos una partícula de masa $105{,}7\ \mathrm{MeV}/c^2$ — 207 electrones, justo en el rango — hubo celebración: ahí estaba el mediador nuclear.

Era la partícula equivocada. En 1947, un experimento en Roma (Conversi, Pancini y Piccioni) demostró que aquella partícula ignoraba a los núcleos: los cruzaba sin apenas interactuar, lo contrario de lo que debe hacer un mediador de la fuerza nuclear. El muón resultó ser simplemente un electrón 207 veces más pesado, sin función aparente en la materia ordinaria. El desconcierto lo resumió Rabi con la frase más citada de esta historia: «¿Y esto quién lo ha pedido?».

El muón vive 2,2 microsegundos y nace a unos 15 km de altura. Multiplica: ni a la velocidad de la luz debería recorrer más de 660 metros antes de desintegrarse. Y sin embargo los detectas en el sótano. La cuenta que lo salva es pura relatividad especial, y puedes hacerla tú mismo:

1947 · El pión sí era el de Yukawa

El mediador auténtico apareció diez años después que su impostor. El grupo de Powell en Bristol, revelando emulsiones expuestas en el Pic du Midi y en los Andes, encontró una partícula ligeramente más pesada que el muón — el pión, de $139{,}6\ \mathrm{MeV}/c^2$ — que sí interactuaba ferozmente con los núcleos. Las fotos eran elocuentes: el pión frena, se desintegra en un muón que recorre un trecho, y el muón se desintegra en un electrón. La cadena $\pi \to \mu \to e$ entera en un milímetro de emulsión.

1930–1956 · El neutrino: el remedio desesperado

El neutrino no se descubrió: se recetó. La desintegración beta tenía un problema gravísimo: si un núcleo se desintegra en dos cuerpos, la energía del electrón emitido debería ser siempre la misma — y se medía un espectro continuo, como si cada desintegración perdiera una cantidad distinta de energía. Bohr llegó a proponer que la conservación de la energía fallara en el mundo nuclear.

Pauli prefirió, en sus palabras, un «remedio desesperado»: postular en 1930 una tercera partícula, neutra, ligerísima y casi indetectable, que se lleva la energía que falta. Fermi la bautizó neutrino y construyó con ella la primera teoría de la fuerza débil (1934). Detectarla costó 26 años: en 1956, Reines y Cowan la cazaron a la salida del reactor nuclear de Savannah River, que fabrica billones por segundo.

Lo escurridizo del neutrino merece números: para frenar a la mitad de los neutrinos de un reactor haría falta una pared de plomo de un año luz de espesor. Del Sol te llegan unos $6 \times 10^{10}$ por centímetro cuadrado y segundo — billones cruzándote ahora mismo — y en toda tu vida puede que uno interactúe con un átomo tuyo. Que se puedan detectar es cuestión de fuerza bruta: toneladas de detector y paciencia.

1947–1953 · Las partículas «extrañas»

El mismo año que el pión, Rochester y Butler fotografiaron en su cámara de niebla dos sucesos en forma de V: partículas neutras invisibles que se desintegraban en dos cargadas. Era el kaón. Poco después llegó la lambda, una especie de protón pesado. Y estas partículas hacían algo genuinamente raro, que les dio el nombre de extrañas.

El comportamiento extraño es una paradoja de tiempos. Se producían con muchísima facilidad — señal de fuerza fuerte, cuya escala de tiempo es $\sim 10^{-23}$ s — pero se desintegraban lentísimamente: la Λ vive $2{,}6 \times 10^{-10}$ s. Compara con la Δ, un pariente no-extraño que vive $5{,}6 \times 10^{-24}$ s: la Λ dura casi cincuenta billones de veces más. Es como si algo pudiera nacer por la puerta rápida pero tuviera prohibido morir por ella.

La solución (Gell-Mann y Nishijima, 1953) fue contable: inventar un número nuevo, la extrañeza, que la fuerza fuerte conserva y la débil no. Las extrañas nacen en pareja (una con extrañeza +1 y otra con −1: total cero, permitido por la vía rápida), pero cada una por separado solo puede morir cambiando su extrañeza — y eso únicamente sabe hacerlo la fuerza débil, la lenta. La paradoja desaparece… al precio de un número cuántico sin ninguna explicación. ¿Qué es la extrañeza? La respuesta — los quarks — es el próximo artículo.

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