X. LOS MESONES DE YUKAWA

SI OBSERVAMOS un granito de arena —cuya longitud caracter�stica sea, digamos, de un cent�simo de cent�m�tro— vemos que se comporta igual que un objeto cualquiera a nuestro alrededor. Un �tomo, cuyo tama�o es diez mil veces menor al del granito, presenta ya propiedades sui generis. Las ondas de De Broglie para ese �tomo tienen una longitud de onda comparable al tama�o del �tomo mismo y los efectos cu�nticos hacen su aparici�n. Si ahora reducimos la escala otras cien mil veces llegamos al tama�o del n�cleo. No aparece, como al ir del granito de arena al �tomo, una nueva f�sica, la mec�nica subcu�ntica, digamos. Sin embargo, el cambio de escala hace que las longitudes de onda involucradas sean tan peque�as que el momento lineal de las part�culas, y de ah� su energ�a cin�tica, crezcan mucho, hasta que la �ltima sea del mismo orden que su energ�a en reposo E = mc². Las part�culas elementales son, pues, r�pidas y peque�as: para tratar con ellas, la mec�nica ha de ser no s�lo cu�ntica sino relativista. Con ello se abre un nuevo mundo en la f�sica: la teor�a cu�ntica del campo.

La teor�a cu�ntica del campo se aplic� primero para entender el electromagnetismo. Pauli y Dirac dieron, all� por la �poca de la Gran Depresi�n, los primeros pasos para formular la electrodin�mica cu�ntica.

Pensemos en un problema tan simple en apariencia como dos electrones en reposo, uno frente al otro, que interact�an por la fuerza de Coulomb. �Qu� tiene esta interacci�n que ver con los fotones que forman la luz, ella misma una manifestaci�n del campo electromagn�tico? Ya lo hemos dicho: por la incertidumbre entre energ�a y tiempo, y la relaci�n entre masa y energ�a, la masa del electr�n fluct�a continuamente y esta part�cula puede emitir fotones ef�meros, que llamaremos virtuales. Mientras viven, estos fotones a su vez pueden crear pares de electrones y positrones; las nuevas part�culas son capaces tambi�n de emitir otros fotones virtuales, y as� ad infinitum. Al unir las ideas cu�nticas con la relatividad vamos, inexorablemente, de una teor�a que empieza con un solo electr�n hacia otra con un n�mero infinito de ellos. Mientras m�s part�culas virtuales haya en un proceso, menor duraci�n tiene �ste y su importancia relativa disminuye. La acci�n conjunta de todos los procesos virtuales, en el caso electromagn�tico que nos ocupa, tiende entonces a un valor finito, calculable y susceptible de ser verificado. Los resultados te�ricos de la electrodin�mica cu�ntica —obtenidos por Schwinger, Feynman, Dyson y Tomonaga poco despu�s de la segunda Guerra Mundial— , concuerdan con much�simas mediciones experimentales y con una gran precisi�n. Podemos considerar, pues, que la electrodin�mica cu�ntica es una teor�a establecida y pasar a otros asuntos.

Se antoja llevar las ideas del campo cu�ntico a otros terrenos, por ejemplo al de las interacciones fuertes. Esto fue, precisamente, lo que hizo el f�sico japon�s Hideki Yukawa en 1935, con lo cual aparecen en la f�sica de part�culas dos nuevos actores que ser�an importantes: los japoneses y los mesones.

Yukawa razon� impecablemente, con la teor�a cu�ntica del campo en ristre y un dato experimental a la mano: la fuerza nuclear decrece abruptamente a una distancia del orden de un fermi. Si los mensajeros de esta interacci�n fueran part�culas virtuales creadas a su alrededor: por un nucle�n, y esas part�culas se movieran con la velocidad de la luz, su vida ser�a muy ef�mera; s�lo vivir�an 10^-23 segundos, existencia corta pero �til. Este es el valor de Dt que inducir�a una fluctuaci�n DE = mc² = /Dt en la energ�a. Con estos datos, el valor de m, la masa de la part�cula virtual que pudiera crearse, resulta un poco mayor que doscientas veces la masa del electr�n o del positr�n y cerca de una novena parte de la masa del prot�n o del neutr�n, �nicas otras part�culas supuestamente elementales conocidas hacia 1935. Al usar bien las reglas del juego de la teor�a cu�ntica de los campos, Yukawa estaba, ni m�s ni menos, prediciendo un nuevo tipo de part�culas, cuya masa es intermedia entre la de las ligeras —positrones y electrones— y la de las pesadas —protones y neutrones—. Por su masa intermedia, habr�a de conoc�rseles como mesones.

Carl Anderson fue un gran descubridor de part�culas. En 1932, con su c�mara de niebla, como ya dijimos, descubri� la antipart�cula del electr�n, el positr�n. Tres a�os mas tarde, al analizar en las monta�as de Colorado los rayos c�smicos, encontr� una nueva traza, menos curvada que la de un electr�n pero m�s que la de un prot�n. La interpretaci�n m�s sencilla de esta observaci�n fue suponer que la traza era el recuerdo de un mes�n: su masa result� ser cerca de 200 veces la del electr�n, y se le llam� el mes�n m. Estas part�culas tienen carga el�ctrica positiva o negativa. Las negativas decaen r�pidamente dejando como herederas un electr�n, un neutrino y un antineutrino, mientras que las cargadas positivamente se desintegran en un positr�n y los correspondientes neutrino y antineutrino.

El j�bilo de los f�sicos fue grande al conocer la existencia de una part�cula de masa intermedia. Ello confirmaba, en apariencia, las ideas de Yukawa y pon�a a la teor�a cu�ntica y relativista sobre terreno firme. No obstante, el gozo se vino al pozo, pues pronto se mostr� que esa part�cula m pod�a chocar libremente con los n�cleos sin que �stos la atraparan. En tal condici�n, no podr�a ser un efectivo mensajero de la interacci�n nuclear. La part�cula m, no es, pues, el mes�n predicho por Yukawa.

As�, y aunque no hubo que esperarlo tanto como al neutrino de Pauli, el mes�n de Yukawa qued� en el limbo hasta 1947. Ese a�o, los f�sicos Lattes, Occhialini y Powell —brasile�o el primero, italiano el segundo e ingl�s el �ltimo— encontraron en los rayos c�smicos detectados en el observatorio de Chacaltaya, en Bolivia, otra part�cula de masa intermedia que s� interactuaba fuertemente con los n�cleos. As� fue descubierto el mes�n p o pion, como ahora se le conoce y cuya masa es cercana a 300 veces la del electr�n. Yukawa y los te�ricos del campo cu�ntico pudieron dormir tranquilos.

Poco tiempo despu�s, cuando el ciclotr�n de Berkeley entr� en operaci�n en 1948, fue posible producir piones en el laboratorio. Se les encontr� cargados, p⁺ y p^- se les llam�, y tambi�n neutros, los p⁰ que decaen en dos fotones muy energ�ticos. Este �ltimo proceso muestra que el pion obedece la estad�stica de Bose-Einstein, lo cual tambi�n es satisfactorio: como buen portador de una fuerza, el mes�n es un bos�n.

�Qu� pas� mientras tanto con el mes�n m? Pues lo primero que se descubri�, en 1961, es que no es un mes�n, sino m�s bien un electr�n gordo. En todas sus caracter�sticas, salvo la masa, parecer�a una r�plica pesada del electr�n. Por ello ahora se le conoce como muon y ya no como mes�n m. Dos a�os despu�s, en 1963, se descubri� tambi�n que los neutrinos emitidos por el muon al decaer no eran id�nticos a aquellos que acompa�an al electr�n en la desintegraci�n beta. Existen, pues, dos clases de neutrinos, v_e y v_m, que acompa�an al electr�n y al muon, respectivamente.

En todo caso, el zool�gico subnuclear se empieza a llenar de personajes.