Introducción a la ciencia I. Ciencias Físicas (74 page)

Existe
una ley de conservación del número bariónico
, y los físicos han descubierto que, en todas las desintegraciones de partículas, el número neto de bariones (es decir, bariones menos antibariones) sigue siendo el mismo. La desintegración es siempre de una partícula más masiva a otra menos masiva, y esto explica el porqué el protón es estable y es el
único
barión en ser estable. Tiene lugar en los bariones más ligeros. Si se desintegra, debería cesar de ser un barión y así infringiría la ley de conservación del número barión. Por la misma razón, un antiprotón es estable porque es el antibarión más ligero. Naturalmente, un protón y un antiprotón pueden enzarzarse en una mutua aniquilación puesto que, tomados juntos, constituyen un barión más un antibarión para un número de barión neto de cero.

(Existe asimismo una
ley de conservación del número leptónico
, que explica por qué el electrón y el positrón son los
únicos
leptones estables. Son los leptones menos masivos y no pueden descomponerse en algo más simple sin violar esa ley de conservación. En realidad, electrones y positrones tienen una segunda razón para no desintegrarse. Son las partículas menos masivas que pueden poseer una carga eléctrica. Si se desintegrasen en algo más simple, perderían la carga eléctrica, algo prohibido por la
ley de conservación de carga eléctrica
. Se trata en efecto de una ley más extraña que la de conservación del número bariónico, como veremos, puesto que los electrones y positrones son, en cierto sentido, más estables que los protones y antiprotones o, por lo menos, deberían ser más estables.)

Los primeros bariones en descubrirse más allá del protón y neutrón recibieron nombres griegos. Existe la
partícula lambda
, la
partícula sigma
y la
partícula xi
. La primera se presentó en una variedad, una partícula neutra; la segunda en tres variedades, positiva, negativa y sin carga; la tercera en dos variedades, negativa y sin carga. Cada una de las mismas tiene una partícula asociada, lo cual hace un total de doce partículas. Todas son en extremo inestables; ninguna puede vivir más allá de una centésima de microsegundo, más o menos; y algunas, como la partícula sigma sin carga, se desintegran tras una centésima de billonésima de microsegundo.

La partícula lambda, que carece de carga, puede remplazar un neutrón en un núcleo para formar un
hipernúcleo
, una entidad que dura menos de una milmillonésima de segundo. La primera en descubrirse fue en un núcleo de hipertritio compuesto de un protón, un neutrón y una partícula lambda. Fue localizada entre los productos de radiación cósmica por Danysz y Pniewski en 1952. En 1963, Danysz informó de hipernúcleos que contenían dos partículas lambda. Y lo que es más, los hiperones negativos pueden remplazar electrones en la estructura atómica como se informó por primera vez en 1968. Tales electrones masivos de remplazo giran en torno del núcleo en unas zonas tan próximas como para pasar en realidad su tiempo dentro de las regiones exteriores nucleares.

Pero todas éstas son partículas comparativamente estables; viven el tiempo suficiente para ser detectadas directamente y ser recompensadas con facilidad con una vida media y personalidad propia. En los años 1960, la primera de toda una serie de partículas fue detectada por Álvarez (que recibió el premio Nobel de Física en 1968 como resultado de todo ello). Todas tenían una vida tan breve que su existencia sólo puede deducirse a partir de la necesidad de contar sus productos de desintegración. Sus vidas medias se encuentran en el orden de una billonésima de billonésima de segundo, y uno llega a preguntarse si son realmente partículas individuales o meramente una combinación de dos o más partículas, que realizan una pausa para conocerse unas a otras antes de centellear.

Estas entidades de vida ultrabreve se llaman
partículas de resonancia
, y, en cuanto los físicos comenzaron a tener a su disposición cada vez mayores cantidades de energía, continuaron produciendo cada vez más partículas, hasta 150, y aún se conocieron más. Todas se encontraban entre los mesones y los bariones, y esos dos grupos fueron reunidos como
hadrones
(de una palabra griega que significa
voluminoso
). Los leptones siguen teniendo unos modestos tres sabores, cada uno conteniendo una partícula, antipartícula, neutrino y antineutrino.

Los físicos quedaron tan desolados con la multiplicidad de los hadrones como les había pasado a los químicos con la multiplicidad de los elementos un siglo antes. Cada vez fue creyéndose más que los hadrones debían estar compuestos de partículas más simples. A diferencia de los leptones, los hadrones no tenían puntos sino unos diámetros definidos, no muy grandes, en realidad, sólo alrededor de 25 billonésimas de centímetro, pero esto no es un punto.

En los años 1950, el físico estadounidense Robert Hofstadter investigó núcleos con electrones en extremo energéticos. Los electrones no interactuaban con los núcleos sino que rebotaban; a partir de estos rebotamientos, Hofstadter llegó a la conclusión acerca de la estructura del hadrón y, en su momento, demostraron ser inadecuadas, pero constituyeron un buen principio. Como resultado de todo ello, compartió el premio Nobel de Física en 1961.

Una cosa que parecía necesaria radicaba en una especie de tabla periódica para partículas subatómicas, algo que las agrupase en familias formadas por un núcleo básico de miembros o miembros con otras partículas que son estados de excitación de esos miembros básicos o miembros (tabla 7.1).

Tabla 7.1. Partículas subatómicas de larga vida.

Algo de esta especie se propuso en 1961 por parte del físico norteamericano Murray Gell-Mann y por el físico israelí Yuval Ne'emen, que trabajaban de forma independiente. Se colocaron juntos grupos de partículas en una hermosa pauta simétrica que dependía de varias propiedades: una pauta que Gell-Mann denominó de
ocho pliegues
, pero a la que formalmente se le denomina SU n.° 3. En particular, uno de tales agrupamientos necesita una partícula más para completarse. Esa partícula, para encajar en el grupo, debería tener una masa particular y una serie particular de otras propiedades.

La combinación no era probablemente una por partícula. Sin embargo, en 1964, una partícula (la
omega menos
) fue detectada exactamente con la serie de propiedades predichas y, en años sucesivos se detectó docenas de veces. En 1971 se detectó su antipartícula, la
antiomega menos
.

Aunque los bariones se dividieron en grupos, y se estableció una tabla periódica subatómica, aún siguieron existiendo diferentes partículas para proporcionar a los físicos el ansia de encontrar algo todavía más simple y fundamental. En 1964, GellMann, tras haberse esforzado en elaborar la forma más simple de tener en cuenta todos los bariones con un número mínimo de las más fundamentales
partículas subbariónicas
, presentó la noción de
quark
. Le dio este nombre porque vio que sólo tres quarks en combinación eran necesaríos para componer un barión, y que diferentes combinaciones de los tres quarks resultaban necesarios para componer todos los bariones conocidos. Esto le recordó una frase de
Finnegan's Walke
, de James Joyce: «Tres
quarks
para Musther Mark.»

A fin de tener en cuenta las conocidas propiedades de los bariones, los tres quarks diferentes han de tener propiedades específicas propias. La propiedad más asombrosa era una carga eléctrica fraccionaria. Todas las partículas conocidas debían poseer una no carga eléctrica, o una carga eléctrica igual a un múltiplo exacto del electrón (o positrón). Las cargas conocidas, en otras palabras, eran 0, +1, –1, +2, –2, etc. El sugerir unas cargas fraccionarias resultaba algo tan raro, que la noción de Gell-Mann tuvo que enfrentarse con una fuerte resistencia inicial. Pero el hecho de que consiguiera explicar tantas cosas, le proporcionó una respetuosa audiencia, luego muchos partidarios y después el premio Nobel de Física en 1969.

Gell-Mann empezó, por ejemplo, con dos quarks, que en la actualidad se llaman
quark ascendente y quark descendente
. Esos
ascendente
y
descendente
no tienen un significado real, sino sólo una forma extravagante de describirlos. (Los científicos, en particular los jóvenes, no deben ser considerados gente monótona y máquinas mentales sin emotividad. Tienden a ser amigos de la broma, y en ocasiones tan ingenuos como un novelista medio o un camionero.) Sería mejor denominarlos
quark-u
y
quark-d
.

El quark-u tiene una carga de +2/3 y el quark-d otra de –1/3. También puede haber un
antiquark-u
, con una carga de –2/3, y un
antiquark-d
con una carga de +1/3.

Dos quarks-u y un quark-d tendrían una carga de +2/3, +2/3 y –1/3 —un total de +1— y, en combinación, formarían un protón. Por otra parte, dos quarks-d y un quark-u tendrían una carga de –1/3, –1/3 y +2/3 —un total de 0— y, en combinación, formarían un neutrón.

Tres quarks se unirían siempre de tal forma que la carga total constituiría un entero. Así, dos antiquarks-u y un antiquark-d tendrían una carga total de –1, y formarían un antiprotón, mientras que dos antiquarks-d y un antiquark-u tendrían una carga total de O y formarían un antineutrón. Y lo que es más, los quarks se mantendrían juntos con tanta firmeza, gracias a la interacción nuclear, que los científicos han sido incapaces hasta ahora de desintegrar protones y neutrones para constituir quarks separados. En realidad existen sugerencias de que la atracción entre quarks aumenta con la distancia, por lo que no existe una forma concebible de desintegrar un protón o neutrón, por lo que no puede nunca detectarse, lo cual hace de la iconoclasta noción de GellMann un poco más fácil de aceptar.

Esos dos quarks son insuficientes para dar cuenta de todos los bariones, o de todos los mesones (que están compuestos por combinaciones de
dos
quarks). Por ejemplo, Gell-Mann sugirió originariamente que un tercer quark, el que ahora se llama
quark-s
. La
s
sería por
sideways
(en inglés, «de lado», para enlazar con ascendente y descendente), pero con más frecuencia se le hace derivar, en inglés, de
strangeness
(raro), porque debe emplearse para tener en cuenta la estructura de ciertas llamadas
partículas extrañas
, y extrañas porque han existido durante un tiempo muy prolongado antes de desintegrarse como se esperaba.

No obstante, llegado el momento los físicos que investigaban la hipótesis quark decidieron que los quarks deberían existir a pares. Si había un quark-s, debería de haber un quark compañero, al que llamaron
quark-c
. Esa
c
, en inglés, no es por
companion
(compañero), sino de
charm
(encanto). En 1974, un físico norteamericano, Burton Richter, y otro, Samuel Chao Chung Ting, que trabajaban de forma independiente, en altas energías, aislaron partículas que poseían las propiedades que requería el quark-c, es decir, esas partículas con «encanto». Como resultado de ello, ambos compartieron el premio Nobel de Física en 1976.

Los pares de quarks son sabores; y, en cierto sentido, se adecúan a los sabores leptón. Cada sabor de un quark tiene cuatro miembros —por ejemplo el quark-u, el quark-d, el antiquark-u y el antiquark-d—, como cada sabor de los leptones tiene cuatro miembros: por ejemplo, el electrón, el neutrino, el antielectrón y el antineutrino. En cada caso, existen tres sabores conocidos: electrón, muón y tauón entre los leptones; quarks u y d, quarks s y c y, finalmente, quarks t y b. El
quark-t
y el
quark-b
son por las palabras inglesas
top
(arriba) y
bottom
(abajo), según la formulación usual, pero en plan más frivolo, derivan de las palabras inglesas
truth
(verdadero) y
beauty
(bello). Los quarks, al igual que los leptones, parecen ser partículas de tamaño puntual, y fundamentalmente carecen de estructura (pero no podemos estar seguros, puesto que ya hemos sido engañados a este respecto, primero por el átomo y luego por el protón). Y es posible que en ambos casos, exista un número indefinido de sabores, si podemos tener más y más energía para gastarla en detectarlos.

Una enorme diferencia entre leptones y quarks radica en que los leptones tienen cargas enteras, o ninguna en absoluto y que no se combinan, mientras que los quarks poseen cargas fraccionarias y, aparentemente, sólo existen en combinación.

Los quarks se combinan según ciertas reglas. Cada sabor y diferente de quarks procede de tres variedades de propiedad: una propiedad que los leptones no poseen. Esta propiedad se llama (sólo metafóricamente)
color
, y las tres variedades se denominan
roja, azul
y
verde
.

Cuando los quarks se unen tres a la vez para formar un barión, un quark debe ser rojo, otro azul y otro verde, careciendo la combinación de color, o ser
blanca
. (Ésta es la razón para eso del rojo, el azul y el verde; en el mundo que nos rodea, como, por ejemplo, en la pantalla del televisor, esa combinación daría blanco.) Cuando los quarks se unen dos a la vez para formar un mesón, uno tendrá un color particular, y el otro el anticolor particular correspondiente, para que la combinación de nuevo dé el color blanco. (Dos leptones carecen de color, siendo ya para empezar blancos.)