Introducción a la ciencia I. Ciencias Físicas (73 page)

He aquí otro punto de similitud: así como las partículas pesadas pueden producir electrones más antineutrinos —como cuando un neutrón se convierte en protón—, o positrones más neutrinos (como cuando un protón se convierte en neutrón), esas mismas partículas pesadas pueden mantener una interacción para formar muones negativos más antineutrinos, o muones positivos más neutrinos. Durante largos años, los físicos dieron por supuesto que los neutrinos que acompañaban a los electrones y positrones eran idénticos a los que iban unidos a los muones negativos y positivos. Sin embargo, en 1962, se comprobó que los neutrinos no pasaban nunca al otro campo, por así decirlo; el neutrino del electrón no emprendía jamás una interacción que condujera a formar un muón, y, por su parte, el neutrino del muón tampoco procedía en el mismo sentido respecto a formar un electrón o un positrón.

Resumiendo: los físicos se encontraron con dos pares de partículas sin cargas ni masas: el antineutrino del electrón y el neutrino del positrón, más el antineutrino del muón negativo y neutrino del muón positivo. ¿Cuál sería la diferencia entre los dos neutrinos y entre los dos antineutrinos? De momento no puede decirse nada en este sentido, pero no cabe duda de que son diferentes. Los muones difieren de los electrones y positrones en otro aspecto: el de la estabilidad. El electrón o positrón abandonado a su propia suerte, permanece invariable indefinidamente. En cambio, el muón es inestable y se desintegra al cumplirse las dos millonésimas de segundo, que es su promedio de vida. El muón negativo se desintegra para formar un electrón (más un antineutrino de la variedad electrón y un neutrino de la variedad muón), mientras que el muón positivo hace lo mismo, aunque a la inversa, o sea, da un positrón, un electrón-neutrino y un muón-antineutrino.

Cuando un muón se desintegra, forma un electrón (o positrón) con menos de 1 /200 de su masa, y un par de neutrinos que carecen en absoluto de masa. ¿Pero, qué sucede con el 99,5 por ciento restante de la masa? De una forma clara, se convierte en energía que puede emitirse como fotones o consumirse en formación de otras partículas.

A la inversa, si se concentra la suficiente energía en un diminuto volumen de espacio, en ese caso en vez de formarse un par electrón-positrón, se formará un par más hinchado; un par parecido al par electrón-positrón, excepto por el hinchamiento de energía que hace las veces de masa. La adherencia de una masa extra al electrón o positrón básico no es muy fuerte, por lo que el muón es inestable y rápidamente se despoja de esa masa y se convierte en un electrón o positrón.

Naturalmente, si se concentra mayor energía en un pequeño volumen, se formará un electrón más masivo. En California, Martin L. Perl empleó un acelerador que aplastaba electrones con elevada energía en positrones también de alta energía. En 1974, se detectó la prueba de semejante electrón superpesado. Se le denominó
electrón tau
(
tau
es otra letra del alfabeto griego) y, para abreviar, frecuentemente se le llama
tauón
.

Como cabía esperar, el tauón tiene una masa 17 veces mayor que la del muón y, por lo tanto, es 3.500 veces más masivo que un electrón. De hecho, el tauón es el doble de / masivo que un protón o un neutrón. A pesar de su masa, el tauón es un leptón, excepto por su masa e inestabilidad, y puesto que posee todas las propiedades de un electrón. Con toda su masa, cabía esperar que fuese mucho más inestable que el muón, y así es. El tauón dura sólo una billonésima de 1 segundo, antes de desintegrarse en un muón (y luego en un electrón).

Naturalmente, existe un tauón positivo y un tauón negativo, y los físicos dan por supuesto que asociado con ellos hay una tercera clase de neutrino y antineutrino, aunque en realidad aún no han sido detectados.

En la actualidad se conocen doce leptones, como ya hemos visto: el electrón negativo y positivo (este último constituye el positrón), el muón positivo y negativo, el tauón positivo y negativo, el electrón neutrino y antineutrino, el muón neutrino y antineutrino, y el tauón neutrino y antineutrino. De una forma clara se hallan divididos en tres niveles (o como los físicos dicen ahora
sabores)
. Existe el electrón y el asociado neutrino y sus antipartículas; el muón y su asociado neutrino y sus antipartículas; y el tauón y su asociado neutrino y sus antipartículas.

Dado que existen esos tres sabores, no hay razón para que no pueda haber otros. Es posible que si la cantidad de energía a mano se incrementase indefinidamente, se formarían más y más sabores de leptones, cada uno con mayor masa y más inestable que el precedente. Aunque no existe un límite teórico al número de sabores, en realidad, debe haber un límite práctico. Llegado el momento, será sencillo tomar toda la energía del Universo para formar un leptón de un nivel particularmente elevado, no pudiéndose llegar más allá; una partícula así sería tan inestable que su existencia carecería de significado en cualquier sentido.

Si nos confinamos a los tres sabores conocidos en la actualidad, el misterio de los neutrinos resulta desconcertante. ¿Cómo puede haber tres pares fermión sin masa y sin carga, cada uno de ellos claramente diferente en tanto tienen lugar las interacciones de partículas y, sin embargo, sin ninguna propiedad particular al parecer?

Tal vez exista una propiedad distintiva, pero no la hemos buscado de modo apropiado. Por ejemplo, los tres sabores del neutrino se supone que poseen masa cero y, por lo tanto, se mueven siempre a la velocidad de la luz. Sin embargo, supongamos que cada sabor de neutrino tiene una masa muy pequeña, diferente de la de los otros dos. En ese caso, sus propiedades, naturalmente, serían levemente diferentes de uno a otro. Por ejemplo, cada uno viajaría levemente por debajo de la velocidad de la luz, y la cantidad a la que disminuiría esa velocidad, sería algo diferente en cada uno de ellos.

Existen razones teóricas para discutir, en tal caso, que cualquier neutrino, mientras viaja, cambia su identidad, siendo un electrón-neutrino a veces, un muón-neutrino en otras ocasiones, o bien hasta un tauón-neutrino en otros momentos. Esos cambios representan
oscilaciones de neutrino
, sugerido por primera vez como una posibilidad en 1963 por un grupo de físicos japoneses.

En los últimos años 1970, Frederick Reines, uno de los detectadores originales del neutrino, junto con Henry W. Sobel y Elaine Pasierb, de la Universidad de California, lograron hacer una prueba al respecto. Emplearon unos 1.000 kilogramos de un agua pesada muy pura y los bombardearon con neutrinos procedentes de uranio fisionado. Este proceso debería producir
sólo
electrón-neutrinos.

Los neutrinos pueden originar uno u otro de esos acontecimientos. Un neutrino golpea la combinación protón-neutrón del pesado núcleo de hidrógeno en el agua pesada, desintegrándolo y prosiguiendo el movimiento. Se trata de una
reacción de corriente sin carga
, y cualquiera de los sabores de neutrino puede llevarlo a cabo. En segundo lugar, el neutrino, al golpear contra la combinación protón-neutrón, induce un cambio del protón en un neutrón, originando un electrón; en este caso, el neutrino deja de existir. Se trata de una
reacción de corriente con carga
, y
sólo
lo consigue el electrón-neutrino.

Se puede calcular cuántos de esos tipos de sucesos tendrían lugar si los neutrinos no oscilasen y permaneciesen sólo como electrón-neutrinos, y cuántos si los neutrinos oscilasen y algunos cambiasen. En 1980, Reines anunció que su experimento parecía demostrar la existencia de la oscilación del neutrino. (Digo «parecía» porque el experimento se encontró muy cerca del límite de lo detectable, y porque otros experimentadores que han comprobado este asunto han informado
no
haber detectado signos de dicha oscilación.)

El asunto continúa dudoso, pero experimentos realizados por físicos de Moscú, implicando un punto que no tiene nada que ver con oscilaciones, parecen mostrar que el electrón-neutrino posee una masa de, posiblemente, hasta 40 electrón-voltios. Esto le daría una masa de 1/13.000 de la de un electrón, por lo que no hay que extrañarse de que dicha partícula haya pasado por carente de masa.

Si Reines está en lo correcto, pues, y existe una oscilación de neutrino, ello explicaría la escasez de neutrinos procedentes del Sol, que ya he mencionado al principio de este capítulo y que resulta tan intrigante para los científicos. El mecanismo utilizado por Davis para detectar neutrinos solares, sólo daría un electrón-neutrino. Si los neutrinos emitidos por el Sol oscilasen, en ese caso llegarían a la Tierra en una mezcla de tres sabores tal vez en iguales cantidades, por lo que no hay que maravillarse de que sólo detectemos una tercera parte de los neutrinos que esperábamos.

Así, también, si los neutrinos tienen una pequeña cantidad de masa, aunque sólo sea el 1/13.000 de un electrón, en ese caso habría muchos neutrinos en el espacio, y todos ellos juntos harían posible calcular que se encuentran muy lejos de aventajar a todos los protones y neutrones. Más del 99 por 100 de la masa del Universo estaría compuesta por neutrinos, y podrían fácilmente representar la «masa perdida» de la que he hablado en el capítulo 2. En realidad, existiría la suficiente masa de neutrinos en el Universo para cerrarlo y asegurar que, en su momento, la expansión se detendría y el Universo comenzaría a contraerse de nuevo.

Todo esto si Reines está en lo cierto. Pero todavía no lo sabemos.

Dado que el muón es una especie de pesado electrón, no puede tratarse del cemento nuclear que Yukawa estaba buscando. Los electrones no se encuentran dentro del núcleo, y por lo tanto tampoco estaría el muón. Esto se descubrió que era cierto sobre una base puramente experimental, mucho antes de que se sospechase la próxima identidad del muón y del electrón; los muones, simplemente, no mostraban tendencia a interactuar con los núcleos. Durante algún tiempo, la teoría de Yukawa parecía tambalearse.

Sin embargo, en 1947 el físico británico Cecil Frank Powell descubrió otro tipo de mesón en las fotografías de los rayos cósmicos. Era un poco más masivo que el muón y demostró poseer 273 veces más masa que un electrón. El nuevo mesón fue llamado
mesón pi
o
pión
.

El pión se observó que reaccionaba fuertemente con los núcleos y que se trataba precisamente de la partícula predicha por Yukawa. (Yukawa fue recompensado por el premio Nobel de Física en 1949, y Powell lo recibió en 1950.) Asimismo, existía un pión positivo que actuaba como una fuerza de intercambio entre protones y neutrones, y aparecía también la correspondiente antipartícula, el pión negativo, que llevaba a cabo un servicio similar para los antiprotones y antineutrones. Ambos son de vida más corta que los muones; tras una vida media de un 1/40 de microsegundo, se desintegraban en muones, más neutrinos de la variedad muón. (Y, naturalmente, el muón se desintegra ulteriormente para dar electrones y neutrinos adicionales.) Existe también un pión sin carga, que es su propia antipartícula. (Es decir, en otras palabras, sólo existe una variedad de esa partícula.) Es en extremo inestable, y se desintegra en menos de una cuatrillonésima de segundo para formar un par de rayos gamma.

A pesar del hecho de que un pión «pertenece» al interior del núcleo, rodeará fugazmente un núcleo antes de interactuar con el mismo, algunas veces, para formar un
átomo piónico
, como se detectó en 1951. Asimismo, cualquier par de partículas negativa y positiva o sistemas de partículas puede lograrse que giren unas en torno de otras; en los años 1960, los físicos estudiaron cierto número de «átomos exóticos» evanescentes a fin de conseguir alguna noción acerca de los detalles de la estructura de la partícula.

Los piones fueron los primeros descubiertos de toda una clase de partículas, que han sido agrupadas como
mesones
. Las mismas no incluyen al muón, aunque fue la primera partícula conocida a la que se dio el nombre. Los mesones interactúan fuertemente con los protones y neutrones (figura 7.8), mientras que los muones no lo hacen así, por lo que han perdido de esta manera su derecho a verse incluidos en el grupo.

Como ejemplo de partículas diferentes al pión y que sean miembros del grupo, existen los
mesones-K
, o
kayones
. Fueron detectados por primera vez en 1952 por dos físicos polacos, Marian Danysz y Jerzy Pniewski. Son unos 970 veces más masivos que un electrón y, por tanto, poseen casi la mitad de la masa de un protón o neutrón. El kayón se presenta en dos variedades, un kayón positivo y un kayón sin carga, y cada uno de ellos posee una antipartícula asociada con el mismo. Naturalmente, son inestables y se desintegran en piones en más o menos un microsegundo.

Fig. 7.8. Colisión de un mesón contra un núcleo. Un mesón de alta energía de una radiación cósmica secundaria choca con un núcleo y produce una estrella compuesta de mesones y partículas alfa (abajo a al izquierda); el mesón energético viaja entonces a lo largo de la senda oscilante hasta la parte superior derecha donde, finalmente es detenido por la colisión con otro núcleo..

Por encima del mesón se encuentran los bariones (un término que ya he mencionado antes), que incluye el protón y el neutrón. Hasta los años 1950, el protón y el neutrón fueron los únicos especímenes conocidos. Sin embargo, a principios de 1954, fueron descubiertas una serie de partículas aún más masivas (a veces llamadas
hiperones
). Son las partículas del barión las que han proliferado en particular en años recientes, de hecho, y el protón y el neutrón son los más ligeros de una amplia variedad.