Introducción a la ciencia I. Ciencias Físicas (72 page)

Sin embargo, aún quedaba una leve esperanza. Y si bien parecen extremadamente reducidas, no son nulas las probabilidades de que un neutrino reaccione ante cualquier partícula. El atravesar cien años luz de plomo sin experimentar modificación, se considera como un promedio; pero ciertos neutrinos reaccionarán con una partícula antes de alcanzar semejante distancia, y algunos —una proporción ínfima, casi inconcebible, del número total— detendrán su carrera ante el equivalente de 2,5 mm de plomo.

En 1953, un equipo de físicos dirigido por Clyde L. Cowan y Frederick Reines, del «Los Alamos Scientific Laboratory», intentaron abordar lo «casi imposible». Instalaron los aparatos para detectar neutrinos junto a un inmenso reactor de fisión de la Atomic Energy Commission, a orillas del río Savannah, en Georgia. El reactor proporcionaría corriente de neutrones, que liberarían aludes de antineutrinos, o al menos así se esperaba. Para capturarlos, los investigadores emplearon grandes tanques de agua. El plan consistió en dejar que los antineutrinos bombardearan los protones (núcleos de hidrógeno) dentro del agua, al objeto de poder detectar así los resultados cuando un protón capturara un antineutrino.

¿Qué sucedería? Cuando el neutrón se desintegra, desprende un protón, un electrón y un antineutrino. Ahora bien, la absorción del antineutrino por el protón debería originar, fundamentalmente, lo contrario. Es decir, el protón debería convertirse en neutrón al emitir un positrón en el proceso. Así, pues, sería preciso estar atento a dos acontecimientos: 1.º La creación de neutrones. 2.º La creación de positrones. Para detectar los neutrones, se disolvería un compuesto de cadmio en el agua, pues cuando el cadmio absorbe los neutrones, emite rayos gamma de energía característica. Y los positrones se podrían identificar por su interacción aniquiladora con los electrones, lo cual originaría otra especie de rayos gamma. Si los instrumentos de los investigadores detectaran esos rayos gamma de energías tan reveladoras, con el intervalo exacto, se podría tener la certeza de que habrían captado los antineutrinos.

Los investigadores pusieron a punto sus ingeniosos artificios detectores y esperaron pacientemente hasta 1956, en que lograron capturar el antineutrino. Hacía entonces veinticinco años que Pauli había descubierto la partícula. Los periódicos, e incluso algunas revistas especializadas, lo llamaron, simplemente, «neutrino».

Para llegar hasta el auténtico neutrino necesitamos alguna fuente rica en neutrinos. Y la idónea es, evidentemente, el Sol. ¿Qué sistema puede emplearse para detectar el neutrino como elemento opuesto al antineutrino? Se perfila una posibilidad —según cierta sugerencia del físico italiano Bruno Pontecorvo— con el cloro 37, que representa, aproximadamente, 1/4 de todo el cloro contenido en los átomos. Su núcleo posee 17 protones y 20 neutrones. Si uno de esos neutrones absorbe un neutrino, se transforma en protón (y desprende un electrón). Entonces, el núcleo tendrá 18 protones y 19 neutrones, y será el argón 37.

Para constituir un blanco aceptable de neutrones-cloro se podría usar el cloro líquido; pero se trata de una sustancia muy corrosiva y tóxica; además, si se quiere mantener líquida, se ha de resolver un problema de refrigeración. En su lugar podemos utilizar compuestos orgánicos que contengan cloro; para este propósito es adecuado el tetracloroetileno.

En 1956, el físico americano Raymond R. Davis tendió dicha «trampa» al neutrino, para demostrar que existe realmente una diferencia entre el neutrino y el antineutrino. Suponiendo que ambas partículas fueran distintas, la «trampa» detectaría sólo neutrinos, no antineutrinos. Cuando fue montada junto a un reactor de fisión en condiciones que le permitieran detectar antineutrinos (suponiendo que éstos fuesen idénticos a los neutrinos),
no
los detectó.

Luego se intentó detectar los neutrinos del Sol. Para ello, se empleó un enorme tanque con 450.000 litros de tetracloroetileno. Se instaló en una profunda mina de Dakota del Sur, o sea, que encima había la tierra suficiente para absorber cualesquiera partículas que llegaran del Sol, excepto los neutrinos. (Así, pues, nos encontramos ante la peregrina situación de que es preciso zambullirse en las entrañas de la Tierra para poder estudiar el Sol.) Aquel tanque permaneció expuesto a los neutrinos solares durante varios meses, para que el argón 37 tuviera tiempo de acumularse en cantidad apreciable. Luego se llenó el tanque hasta el borde con helio, se mantuvo así veintidós horas y se determinó la minúscula cantidad de argón 37. En 1968 se detectaron los neutrinos solares, pero en una cantidad inferior a la mitad de lo que se había supuesto, según las teorías actuales acerca de lo que ocurre en el interior del Sol. Ahora bien, para esto se requieren unas técnicas experimentales enormemente laboriosas, y, además, en este sentido nos hallamos todavía en los comienzos.

Nuestra lista de partículas subatómicas comprende ahora diez: cuatro partículas masivas (o
bariones
, de una palabra griega que significa «pesado») —el protón, el neutrón, el antiprotón y el antineutrón—; cuatro leptones —el electrón, el positrón, el neutrino y el antineutrino— y dos bosones: el fotón y el gravitón. Y, sin embargo, no eran suficientes, por (lo que los físicos decidieron seguir adelante.

Las atracciones ordinarias entre protones y electrones aislados, o repulsiones entre dos protones y dos electrones, pueden explicarse con facilidad como el resultado de las
interacciones electromagnéticas
. La forma en que dos átomos se mantienen unidos, o dos moléculas, se explica por las interacciones electromagnéticas: la atracción de los núcleos cargados positivamente respecto de los electrones exteriores.

Mientras se creyó que el núcleo atómico estaba compuesto por protones y electrones, pareció razonable dar por supuesto que la interacción electromagnética —la atracción conjunta entre protones y electrones— sería suficiente para explicar asimismo cómo se mantenían unidos los núcleos. Sin embargo, una vez que fue aceptada la teoría protón-neutrón de la estructura nuclear, se produjo en 1930 la sorprendente comprobación de que no existía una explicación para lo que mantiene unido al núcleo.

Si los protones fuesen las únicas partículas cargadas presentes, en ese caso la interacción electromagnética estaría representada por una muy fuerte repulsión entre los protones que eran impulsados rígidamente unos contra otros en el diminuto núcleo. Cualquier núcleo atómico debería explotar con tremenda fuerza desde el instante en que se formó (si es que pudo formarse en primer lugar).

De forma clara, debería hallarse implicada alguna forma de interacción, algo mucho más fuerte que la interacción electromagnética y capaz de sobreimponerse a la misma. En 1930, la única otra interacción conocida era la
interacción gravitatoria
, que es mucho más débil que la interacción electromagnética, y que puede, en realidad, dejarse de lado al tomar en consideración los acontecimientos subatómicos, por lo que nadie reparó en ello. No, debía de existir una
interacción nuclear
, alguna desconocida hasta aquel momento, pero que fuese muy fuerte.

La fuerza superior de la interacción nuclear puede demostrarse a través de la siguiente consideración. Los dos electrones de un átomo de helio pueden eliminarse del núcleo por la aplicación de 54 electronvoltios de energía. Esa cantidad de energía es suficiente para hacer frente a una fuerte manifestación de interacción electromagnética.

Por otra parte, el protón y el neutrón constituyen un deuterón, con los enlaces más débiles de todos los núcleos y que requiere 2 millones de electronvoltios para su desintegración. Teniendo en cuenta el hecho de que las partículas en el interior del núcleo se hallan mucho más cerca unas de otras que los átomos en el interior de una molécula, sigue siendo razonable llegar a la conclusión de que la interacción nuclear es 130 veces superior a la interacción electromagnética. ¿Pero, cuál es la naturaleza de esa interacción nuclear? La primera pista fructífera llegó en 1932, cuando Werner Heisenberg sugirió que los protones se mantenían unidos a través de unas
fuerzas de intercambio
. Describió a los protones y neutrones en el núcleo como intercambiando continuamente identidad, por lo que, cualquier partícula dada, es en primer lugar un protón, luego un neutrón, a continuación un protón, etc. Este proceso debe mantener el núcleo estable de la misma forma que se sujeta una patata caliente arrojándola con rapidez de una mano a otra. Antes de que el protón se «dé cuenta» (por así decirlo) de que es un protón y trate de escapar de sus protones vecinos, se ha convertido en un neutrón y se queda donde se encontraba. Naturalmente, sólo puede lograrlo si esos cambios tienen lugar con extraordinaria rapidez, digamos en el intervalo de una billonésima de una billonésima de segundo.

Otra forma de contemplar esta interacción consiste en imaginarse a dos partículas que intercambian una tercera. Cada vez que la partícula
A
emite la partícula de intercambio, se mueve hacia atrás para conservar la inercia. Cada vez que la partícula
B
acepta la partícula de intercambio, se ve empujada hacia atrás por idéntica razón. Mientras la partícula de intercambio rebota de atrás adelante, las partículas A y
B
se separan más y más, hasta que parecen experimentar una repulsión. Si, por otra parte, la partícula de intercambio se mueve alrededor al modo de un bumerán, desde detrás de la partícula
A
hasta detrás de la partícula
B
, en ese caso ambas partículas serán impulsadas más íntimamente la una contra la otra y parecerán experimentar una atracción.

Según la teoría de Heisenberg, todas las fuerzas de atracción y repulsión serían el resultado de partículas de intercambio. En el caso de la atracción y repulsión electromagnética, la partícula de intercambio es el fotón; y en el caso de la atracción gravitacional (al parecer no existe repulsión en la interacción gravitatoria), la partícula de intercambio será el gravitón.

Tanto el fotón como el gravitón carecen de masa, y es al parecer por esa razón que el electromagnetismo y la gravitación constituyen fuerzas que disminuyen sólo con el cuadrado de la distancia y, por lo tanto, se sienten a través de enormes huecos.

La interacción gravitacional y la interacción electromagnética son
interacciones a larga distancia
y, según sabemos hasta hoy, las únicas de este tipo que existen.

La interacción nuclear —dando por supuesto que exista— no puede ser una de este tipo. Debería ser muy fuerte dentro del núcleo, para que el núcleo siguiese existiendo, pero era virtualmente indetectable en el exterior del núcleo, o en otro caso ya se hubiera descubierto hace mucho tiempo. Por lo tanto, la fuerza de la interacción nuclear disminuía con gran rapidez con la distancia. Cada vez que se dobla la distancia, debe disminuir a 1/100 de lo que era, más bien que meramente un 1/4, como en el caso de las interacciones electromagnética y gravitatoria. Por esta razón, no actuaría ningún intercambio de partículas sin masa.

En 1935, el físico japonés Hideki Yukawa intentó analizar matemáticamente el problema. Su razonamiento llevó a este resultado: la transferencia alternativa de cargas entre protón y neutrón debe correr a cargo de una partícula que posea cierta masa. Dicha masa se podría calcular tomando como base el alcance del campo de fuerza nuclear —evidentemente, un alcance muy parco, pues no se dejaba sentir más allá del ultramicroscópico núcleo—. La masa estaría en razón inversa al alcance: a mayor masa, menor alcance. Resultó que la masa de la partícula apropiada figuraba en algún lugar entre las masas del protón y el electrón. Yukawa estimó que sería 200 o 300 veces mayor que la masa de un electrón,

Escasamente un año después se descubrió esa partícula tan especial. En el California Institute of Technology, Cari Anderson (descubridor del positrón), cuando examinaba las huellas dejadas por unos rayos cósmicos secundarios, halló un rastro muy corto, más curvilíneo que el del protón y menos que el del electrón. En otras palabras, la partícula en cuestión tenía una masa intermedia. Pronto se detectaron otros rastros semejantes, y las partículas recibieron el nombre de «mesotrones» o «mesones», para abreviar.

Más tarde se descubrió otra partícula perteneciente a este tipo de masa intermedia, que recibió el nombre de «mu mesón», «mesón mu» o «muón» («mu» es una letra del alfabeto griego; hoy se emplea ya casi todo este alfabeto para denominar partículas subatómicas). Como en el caso de las partículas citadas anteriormente, el muón presenta dos variedades: positiva y negativa.

El muón negativo, que tiene 206,77 veces más masa que el electrón (y, por tanto, una novena parte del protón) es la partícula; el muón positivo es la antipartícula. El muón negativo y el muón positivo corresponden, respectivamente, al electrón y al positrón. Por cierto que en 1960 se hizo evidente que el muón negativo era idéntico al electrón en todos los aspectos, excepto en la masa. Era, pues, un «electrón pesado». Asimismo, el muón positivo era un «positrón pesado».

Hasta ahora no se ha podido explicar esta identidad, pese a ser tan real, que los muones negativos pueden remplazar a los electrones en el átomo para formar «átomos muón». Asimismo, los muones positivos remplazan a los positrones en la antimateria.

Los muones positivos y negativos se aniquilarán entre sí, y tal vez giren antes brevemente en torno a un centro común de fuerza: lo mismo cabe decir de los electrones positivos y negativos. Sin embargo, en 1960 el físico americano Vernon Willard Hughes descubrió una situación mucho más interesante. Detectó un sistema en que el electrón giraba alrededor de un muón positivo; lo denominó «muonio» (el positrón que gira alrededor de un muón negativo sería el «antimuonio»).

El átomo muonio (si se nos permite llamarlo así) es análogo al hidrógeno 1, en el cual el electrón gira en torno a un protón positivo, y ambos son similares en muchas de sus propiedades. Aunque los muones y electrones parecen ser idénticos, si se exceptúa la masa, esta diferencia de masas basta para evitar una verdadera oposición entre el electrón y el muón positivo, de forma que ninguno de ellos aniquilará al otro. Por consiguiente, el muonio no tiene la inestabilidad característica del positronio. El muonio resiste más tiempo, y resistiría indefinidamente —siempre y cuando no fuese perturbado desde el exterior— si no fuera porque el muón es mucho menos resistente. Apenas transcurridas dos millonésimas de segundo aproximadamente, el muón se desmorona, y el átomo muonio deja de existir.