X. LOS MESONES DE YUKAWA
SI OBSERVAMOS un granito de arena —cuya longitud característica
sea, digamos, de un centésimo de centímétro— vemos que se comporta igual
que un objeto cualquiera a nuestro alrededor. Un átomo, cuyo tamaño es diez
mil veces menor al del granito, presenta ya propiedades sui generis.
Las ondas de De Broglie para ese átomo tienen una longitud de onda comparable
al tamaño del átomo mismo y los efectos cuánticos hacen su aparición. Si ahora
reducimos la escala otras cien mil veces llegamos al tamaño del núcleo. No aparece,
como al ir del granito de arena al átomo, una nueva física, la mecánica subcuántica,
digamos. Sin embargo, el cambio de escala hace que las longitudes de onda involucradas
sean tan pequeñas que el momento lineal de las partículas, y de ahí su energía
cinética, crezcan mucho, hasta que la última sea del mismo orden que su energía
en reposo E = mc². Las partículas elementales son, pues, rápidas
y pequeñas: para tratar con ellas, la mecánica ha de ser no sólo cuántica sino
relativista. Con ello se abre un nuevo mundo en la física: la teoría cuántica
del campo.
La teoría cuántica del campo se aplicó primero para entender el electromagnetismo. Pauli y Dirac dieron, allá por la época de la Gran Depresión, los primeros pasos para formular la electrodinámica cuántica.
Pensemos en un problema tan simple en apariencia como dos electrones en reposo, uno frente al otro, que interactúan por la fuerza de Coulomb. ¿Qué tiene esta interacción que ver con los fotones que forman la luz, ella misma una manifestación del campo electromagnético? Ya lo hemos dicho: por la incertidumbre entre energía y tiempo, y la relación entre masa y energía, la masa del electrón fluctúa continuamente y esta partícula puede emitir fotones efímeros, que llamaremos virtuales. Mientras viven, estos fotones a su vez pueden crear pares de electrones y positrones; las nuevas partículas son capaces también de emitir otros fotones virtuales, y así ad infinitum. Al unir las ideas cuánticas con la relatividad vamos, inexorablemente, de una teoría que empieza con un solo electrón hacia otra con un número infinito de ellos. Mientras más partículas virtuales haya en un proceso, menor duración tiene éste y su importancia relativa disminuye. La acción conjunta de todos los procesos virtuales, en el caso electromagnético que nos ocupa, tiende entonces a un valor finito, calculable y susceptible de ser verificado. Los resultados teóricos de la electrodinámica cuántica —obtenidos por Schwinger, Feynman, Dyson y Tomonaga poco después de la segunda Guerra Mundial— , concuerdan con muchísimas mediciones experimentales y con una gran precisión. Podemos considerar, pues, que la electrodinámica cuántica es una teoría establecida y pasar a otros asuntos.
Se antoja llevar las ideas del campo cuántico a otros terrenos, por ejemplo al de las interacciones fuertes. Esto fue, precisamente, lo que hizo el físico japonés Hideki Yukawa en 1935, con lo cual aparecen en la física de partículas dos nuevos actores que serían importantes: los japoneses y los mesones.
Yukawa razonó impecablemente, con la teoría cuántica 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 interacción fueran
partículas virtuales creadas a su alrededor: por un nucleón, y esas partículas
se movieran con la velocidad de la luz, su vida sería muy efímera; sólo vivirían
10-23 segundos, existencia corta pero útil. Este es el valor de Dt
que induciría una fluctuación DE = mc²
= 
Carl Anderson fue un gran descubridor de partículas. En 1932, con su cámara de niebla, como ya dijimos, descubrió la antipartícula del electrón, el positrón. Tres años mas tarde, al analizar en las montañas de Colorado los rayos cósmicos, encontró una nueva traza, menos curvada que la de un electrón pero más que la de un protón. La interpretación más sencilla de esta observación fue suponer que la traza era el recuerdo de un mesón: su masa resultó ser cerca de 200 veces la del electrón, y se le llamó el mesón m. Estas partículas tienen carga eléctrica positiva o negativa. Las negativas decaen rápidamente dejando como herederas un electrón, un neutrino y un antineutrino, mientras que las cargadas positivamente se desintegran en un positrón y los correspondientes neutrino y antineutrino.
El júbilo de los físicos fue grande al conocer la existencia de una partícula de masa intermedia. Ello confirmaba, en apariencia, las ideas de Yukawa y ponía a la teoría cuántica y relativista sobre terreno firme. No obstante, el gozo se vino al pozo, pues pronto se mostró que esa partícula m podía chocar libremente con los núcleos sin que éstos la atraparan. En tal condición, no podría ser un efectivo mensajero de la interacción nuclear. La partícula m, no es, pues, el mesón predicho por Yukawa.
Así, y aunque no hubo que esperarlo tanto como al neutrino de Pauli, el mesón de Yukawa quedó en el limbo hasta 1947. Ese año, los físicos Lattes, Occhialini y Powell —brasileño el primero, italiano el segundo e inglés el último— encontraron en los rayos cósmicos detectados en el observatorio de Chacaltaya, en Bolivia, otra partícula de masa intermedia que sí interactuaba fuertemente con los núcleos. Así fue descubierto el mesón p o pion, como ahora se le conoce y cuya masa es cercana a 300 veces la del electrón. Yukawa y los teóricos del campo cuántico pudieron dormir tranquilos.
Poco tiempo después, cuando el ciclotrón de Berkeley entró en operación en 1948, fue posible producir piones en el laboratorio. Se les encontró cargados, p+ y p- se les llamó, y también neutros, los p0 que decaen en dos fotones muy energéticos. Este último proceso muestra que el pion obedece la estadística de Bose-Einstein, lo cual también es satisfactorio: como buen portador de una fuerza, el mesón es un bosón.
¿Qué pasó mientras tanto con el mesón m? Pues lo primero que se descubrió, en 1961, es que no es un mesón, sino más bien un electrón gordo. En todas sus características, salvo la masa, parecería una réplica pesada del electrón. Por ello ahora se le conoce como muon y ya no como mesón m. Dos años después, en 1963, se descubrió también que los neutrinos emitidos por el muon al decaer no eran idénticos a aquellos que acompañan al electrón en la desintegración beta. Existen, pues, dos clases de neutrinos, ve y vm, que acompañan al electrón y al muon, respectivamente.
En todo caso, el zoológico subnuclear se empieza a llenar de personajes.
