XII. LEPTONES PESADOS

HASTA ahora hemos mencionado las siguientes part�culas, que bien podr�an ser elementales y, por tanto, buenos candidatos para reemplazar al verdadero �tomo de los griegos. En orden ascendente de la masa, tenemos en primer lugar a los neutrinos. Los de un tipo, v_e, acompa�an al electr�n, pero hay otros, como el v_m, que surge al desintegrarse el muon o el pion. Este �ltimo es muy parecido al electr�n, aunque pesa m�s que �l. Estas cuatro part�culas se agrupan en una familia que, por ligera, llamaremos lept�nica —del griego leptos, ligero—.

Otra familia, cuyos primeros miembros ya conocimos, es la de los mesones, o part�culas de masa intermedia. Aqu� tenemos tres miembros, los piones p⁺, p0 y p^-. Por otro lado, ya encontramos al prot�n y al neutr�n, los nucleones o constituyentes del n�cleo at�mico. �stos son los dos primeros miembros de la tercera familia, la de los bariones —del griego barios, pesado—. Su masa es 2000 veces la del electr�n y varias veces la del pion. Finalmente, tenemos al fot�n o cuanto de luz; pero �ste no es una part�cula, es tan s�lo energ�a, y forma por s� mismo una clase con un solo miembro. A diferencia de las otras part�culas que hemos mencionado, el fot�n es su propia antipart�cula. En casi todos los otros casos, sin embargo, la antipart�cula existe y es diferente a la correspondiente part�cula. El antineutrino mismo existe, lo que hace sospechar que si bien es muy ligero, tiene masa.

En los �ltimos treinta a�os, centenares de f�sicos armados con sus poderosas m�quinas han descubierto muchos nuevos miembros de estas familias. Relataremos tales historias de familia sin seguir el orden cronol�gico. M�s 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 qu� ocurri� con los leptones.

En 1972 se ech� a andar en Stanford, California, una nueva m�quina, de nombre atractivo: SPEAR (que significa lanza). Este aparato es uno de esos que se conocen como anillos de almacenamiento. En estas m�quinas 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 part�culas se encuentran con sus antipart�culas; con ello se aniquilan y se produce una cantidad enorme de energ�a. Esta �ltima, a su vez, puede manifestarse como masa, es decir, diversas part�culas con muy diferentes propiedades pueden crearse.

Dos a�os despu�s de la instalaci�n de SPEAR, un grupo de f�sicos norteamericanos, dirigido por Martin Perl, observ� 200 eventos en que se generaban simult�neamente un electr�n y un muon (o sus antipart�culas). Como Perl y sus colaboradores sab�an detr�s de qu� andaban, pronto pudieron corroborar que hab�an encontrado un nuevo lept�n, cuya masa era cercana al doble de la del prot�n. Resultar�a entonces que existen los leptones pesados, nombre contradictorio si es que los hay.

�C�mo se hace para hallar una nueva part�cula? Primero, se deber� tener una idea clara de lo que se busca; en segundo lugar, se deber� encontrar un m�todo para construir la part�cula en cantidades apreciables, y finalmente, han de saberse las se�as particulares del nuevo objeto. Estas tres reglas —simples de escribir, dif�ciles de seguir— fueron escrupulosamente obedecidas por el grupo de Stanford.

La familia de leptones hasta 1974 ten�a ocho miembros, como ya dijimos: el electr�n y el muon, el neutrino electr�nico y el mu�nico, adem�s de sus correspondientes antipart�culas. El electr�n es estable por la simple raz�n de que no hay otra part�cula m�s ligera a la que pueda decaer. El muon, por su parte, s� se descompone, aunque no lo hace electromagn�ticamente, lo que ser�a m�s expedito. A pesar de que este electr�n gordo tendr�a la suficiente energ�a para crear fotones y electrones, prefiere no seguir este camino. En vez de ello, decae a causa de la interacci�n d�bil y produce un electr�n, un neutrino mu�nico y un antineutrino electr�nico. Todo ocurre como si hubiera alguna regla misteriosa que la naturaleza no quisiera violar. Esa regla se expresa al decir que el n�mero de leptones tipo electr�nico o de leptones tipo mu�nico se conserva, es decir, que vale lo mismo antes y despu�s de que el proceso ocurra. Al electr�n y al neutrino les asociamos un n�mero lept�nico de car�cter electr�nico igual a +1, y a sus correspondientes antipart�culas un número lept�nico igual a -1. Lo mismo hacemos con m y vm, y les asignamos un n�mero lept�nico de car�cter mu�nico. Con ello, la contabilidad es simple, y no es dif�cil prever cu�les procesos ocurren y cu�les est�n prohibidos.

Empero, el misterio de los leptones, en particular el del muon, queda all�. �Qu� cosa rara, se preguntan los f�sicos, es un muon? Si ya tenemos un electr�n pesado que reh�ye las interacciones fuertes, �habr� otro incluso m�s gordo y, por tanto, existir� toda una serie de leptones, cuyos primeros miembros sean el electr�n y m? Supongamos, dijeron Perl y sus colaboradores, que as� sea. Busquemos, pues, el tercer miembro cargado el�ctricamente de la familia de los leptones. Si ha de existir, llam�mosle t, porque esta letra es la primera del griego tritos, que significa tercero. Pero nunca perdamos de vista nuestras reglas de conducta, y pregunt�monos qu� se�as particulares dejar�a ese supuesto tau�n.

Primero se supuso que t llevar�a su propio n�mero lept�nico, ahora de car�cter taut�nico. Entonces, la tau se desintegrar�a tambi�n a causa de la interacci�n d�bil; aunque puede hacerlo al menos de dos modos: producir�a un neutrino tipo t , un muon y un antineutrino mu�nico, o bien un electr�n y un antineutrino electr�nico as� como un neutrino tipo t ; se tienen, desde luego, los correspondientes procesos para la antitau. Vamos por buen camino, pues en la colisi�n electr�n-positr�n esperamos generar un par tau-antitau; en tal caso, ver�amos al final un electr�n y un muon (o sus antipart�culas). La presencia simult�nea de e y m ser�a la huella de tau; a buscarla debe dirigirse el experimento.

En 1974 se encontraron veinte sucesos como los descritos; la masa del tau�n ser�a cercana a veinte veces la masa del muon. Dos a�os despu�s ya se hab�a detectado la huella de t m�s de 200 veces. Un grupo alem�n, con su anillo de almacenamiento DORIS, repiti� luego el experimento y confirm� la existencia de t, el tercer miembro de la familia que dej� de ser ligera.

Vemos que la clasificaci�n de las llamadas part�culas elementales por su masa no es buena. Una taxonom�a mejor se logra caracteriz�ndolas por las interacciones que sufren. As�, ahora decimos que los leptones son aquellos que pueden interactuar electromagn�tica y d�bilmente, pero que son insensibles a la interacci�n fuerte.

Despu�s de todo ello, la familia de los leptones tiene seis miembros (y sus correspondientes antimiembros): el electr�n, m, t y sus respectivos neutrinos.¹ Los tres primeros est�n cargados, y en consecuencia sienten la interacci�n electromagn�tica. 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 "�tomos verdaderos" que hemos perseguido a lo largo de nuestro relato.

Sin embargo, los leptones no son los �nicos verdaderamente elementales. Los f�sicos de finales de los ochentas creen que existen otras part�culas tambi�n elementales: los cuarks. Veamos ahora su historia.

NOTAS

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