XII. LEPTONES PESADOS

HASTA ahora hemos mencionado las siguientes partículas, que bien podrían ser elementales y, por tanto, buenos candidatos para reemplazar al verdadero átomo de los griegos. En orden ascendente de la masa, tenemos en primer lugar a los neutrinos. Los de un tipo, v_e, acompañan al electrón, pero hay otros, como el v_m, que surge al desintegrarse el muon o el pion. Este último es muy parecido al electrón, aunque pesa más que él. Estas cuatro partículas se agrupan en una familia que, por ligera, llamaremos leptónica —del griego leptos, ligero—.

Otra familia, cuyos primeros miembros ya conocimos, es la de los mesones, o partículas de masa intermedia. Aquí tenemos tres miembros, los piones p⁺, p0 y p^-. Por otro lado, ya encontramos al protón y al neutrón, los nucleones o constituyentes del núcleo atómico. Éstos son los dos primeros miembros de la tercera familia, la de los bariones —del griego barios, pesado—. Su masa es 2000 veces la del electrón y varias veces la del pion. Finalmente, tenemos al fotón o cuanto de luz; pero éste no es una partícula, es tan sólo energía, y forma por sí mismo una clase con un solo miembro. A diferencia de las otras partículas que hemos mencionado, el fotón es su propia antipartícula. En casi todos los otros casos, sin embargo, la antipartícula existe y es diferente a la correspondiente partícula. El antineutrino mismo existe, lo que hace sospechar que si bien es muy ligero, tiene masa.

En los últimos treinta años, centenares de físicos armados con sus poderosas máquinas han descubierto muchos nuevos miembros de estas familias. Relataremos tales historias de familia sin seguir el orden cronológico. Más bien, trataremos a cada familia por separado, contando vida, milagros y hasta muerte de sus nuevos miembros, siempre buscando esclarecer con cuidado su linaje y parentesco. Veamos qué ocurrió con los leptones.

En 1972 se echó a andar en Stanford, California, una nueva máquina, de nombre atractivo: SPEAR (que significa lanza). Este aparato es uno de esos que se conocen como anillos de almacenamiento. En estas máquinas se hacen girar en sentido contrario dos haces, uno formado por electrones y el otro por positrones. Los haces de materia y antimateria se entrecruzan y a veces las partículas se encuentran con sus antipartículas; con ello se aniquilan y se produce una cantidad enorme de energía. Esta última, a su vez, puede manifestarse como masa, es decir, diversas partículas con muy diferentes propiedades pueden crearse.

Dos años después de la instalación de SPEAR, un grupo de físicos norteamericanos, dirigido por Martin Perl, observó 200 eventos en que se generaban simultáneamente un electrón y un muon (o sus antipartículas). Como Perl y sus colaboradores sabían detrás de qué andaban, pronto pudieron corroborar que habían encontrado un nuevo leptón, cuya masa era cercana al doble de la del protón. Resultaría entonces que existen los leptones pesados, nombre contradictorio si es que los hay.

¿Cómo se hace para hallar una nueva partícula? Primero, se deberá tener una idea clara de lo que se busca; en segundo lugar, se deberá encontrar un método para construir la partícula en cantidades apreciables, y finalmente, han de saberse las señas particulares del nuevo objeto. Estas tres reglas —simples de escribir, difíciles de seguir— fueron escrupulosamente obedecidas por el grupo de Stanford.

La familia de leptones hasta 1974 tenía ocho miembros, como ya dijimos: el electrón y el muon, el neutrino electrónico y el muónico, además de sus correspondientes antipartículas. El electrón es estable por la simple razón de que no hay otra partícula más ligera a la que pueda decaer. El muon, por su parte, sí se descompone, aunque no lo hace electromagnéticamente, lo que sería más expedito. A pesar de que este electrón gordo tendría la suficiente energía para crear fotones y electrones, prefiere no seguir este camino. En vez de ello, decae a causa de la interacción débil y produce un electrón, un neutrino muónico y un antineutrino electrónico. Todo ocurre como si hubiera alguna regla misteriosa que la naturaleza no quisiera violar. Esa regla se expresa al decir que el número de leptones tipo electrónico o de leptones tipo muónico se conserva, es decir, que vale lo mismo antes y después de que el proceso ocurra. Al electrón y al neutrino les asociamos un número leptónico de carácter electrónico igual a +1, y a sus correspondientes antipartículas un número leptónico igual a -1. Lo mismo hacemos con m y vm, y les asignamos un número leptónico de carácter muónico. Con ello, la contabilidad es simple, y no es difícil prever cuáles procesos ocurren y cuáles están prohibidos.

Empero, el misterio de los leptones, en particular el del muon, queda allí. ¿Qué cosa rara, se preguntan los físicos, es un muon? Si ya tenemos un electrón pesado que rehúye las interacciones fuertes, ¿habrá otro incluso más gordo y, por tanto, existirá toda una serie de leptones, cuyos primeros miembros sean el electrón y m? Supongamos, dijeron Perl y sus colaboradores, que así sea. Busquemos, pues, el tercer miembro cargado eléctricamente de la familia de los leptones. Si ha de existir, llamémosle t, porque esta letra es la primera del griego tritos, que significa tercero. Pero nunca perdamos de vista nuestras reglas de conducta, y preguntémonos qué señas particulares dejaría ese supuesto tauón.

Primero se supuso que t llevaría su propio número leptónico, ahora de carácter tautónico. Entonces, la tau se desintegraría también a causa de la interacción débil; aunque puede hacerlo al menos de dos modos: produciría un neutrino tipo t , un muon y un antineutrino muónico, o bien un electrón y un antineutrino electrónico así como un neutrino tipo t ; se tienen, desde luego, los correspondientes procesos para la antitau. Vamos por buen camino, pues en la colisión electrón-positrón esperamos generar un par tau-antitau; en tal caso, veríamos al final un electrón y un muon (o sus antipartículas). La presencia simultánea de e y m sería la huella de tau; a buscarla debe dirigirse el experimento.

En 1974 se encontraron veinte sucesos como los descritos; la masa del tauón sería cercana a veinte veces la masa del muon. Dos años después ya se había detectado la huella de t más de 200 veces. Un grupo alemán, con su anillo de almacenamiento DORIS, repitió luego el experimento y confirmó la existencia de t, el tercer miembro de la familia que dejó de ser ligera.

Vemos que la clasificación de las llamadas partículas elementales por su masa no es buena. Una taxonomía mejor se logra caracterizándolas por las interacciones que sufren. Así, ahora decimos que los leptones son aquellos que pueden interactuar electromagnética y débilmente, pero que son insensibles a la interacción fuerte.

Después de todo ello, la familia de los leptones tiene seis miembros (y sus correspondientes antimiembros): el electrón, m, t y sus respectivos neutrinos.¹ Los tres primeros están cargados, y en consecuencia sienten la interacción electromagnética. Por otro lado, y esto es crucial para nuestra historia, no ha habido indicio alguno de que estos leptones tengan estructura, es decir, de que no sean elementales. Los leptones son objetos puntuales, son realmente indivisibles. En tal sentido, forman parte de esa familia de "átomos verdaderos" que hemos perseguido a lo largo de nuestro relato.

Sin embargo, los leptones no son los únicos verdaderamente elementales. Los físicos de finales de los ochentas creen que existen otras partículas también elementales: los cuarks. Veamos ahora su historia.

NOTAS

1 En el anillo de colisiones que está en Hamburgo, y que se llama PETRA, se ha demostrado que no existen otros leptones con masa entre la de t y 10 veces ésta.