XIII. LA HISTORIA SE REPITE

A PRINCIPIOS de siglo, Rutherford lanzó partículas a contra láminas de metal formadas por átomos. Llegó a la conclusión de que el átomo era un sistema compuesto, con un núcleo masivo en el centro y electrones a su alrededor. Los físicos de Stanford, con su acelerador lineal SLAC, mostraron, con un experimento en esencia igual al de Rutherford, que a una escala 100 000 veces menor que la atómica la historia se repite: los nucleones también tienen una complicada estructura interna. Protón y neutrón no son, en consecuencia, partículas verdaderamente elementales.

La diferencia entre las experiencias de Rutherford y los experimentos de Stanford se puede ver fácilmente si usamos, una vez más, el principio de incertidumbre de Heisenberg. Con el SLAC queremos ver distancias del orden de un fermi, 10^-13 cm. El "microscopio" necesario debe usar una radiación con la longitud de onda apropiada para esta escala. Si se aceleran electrones, como en este acelerador, el momento lineal que corresponde a /l y l ñ 1 fermi implica una energía para esos proyectiles que es del orden de los mil millones de electrón-voltios. Esta es ahora la unidad pertinente de energía, y le llamamos giga-electrón-voltio, GeV por brevedad. Con el super microscopio electrónico SLAC podemos "ver" lo que ocurre dentro de un protón. En particular, es posible averiguar si esta partícula tiene algo dentro, o si es puntual y en consecuencia verdaderamente elemental. Hay sorpresas en puerta.

Resulta cómodo, por varias razones, usar electrones para analizar protones. Primero, y hasta donde sabemos, el electrón es una partícula puntual. En segundo lugar, nucleones y electrones interactúan por medio de las fuerzas electromagnética y débil, pero no a través de la fuerte. Es más, la fuerza débil es tan débil si se compara con la electromagnética, que ésta última es la única que rige la colisión de un electrón muy veloz con el blanco de protones. Pero entonces vamos por buen camino, pues el electromagnetismo es el único dominio de la física en que nos movemos con pie seguro. La electrodinámica cuántica (y cuando la situación física así lo permite, su límite clásico) ha mostrado su validez aun cuantitativa en cuanto experimento se la ha probado, desde distancias cósmicas hasta 10^-15 centímetros. Puesto en otros términos: podemos suponer que conocemos bien cómo se comporta un experimento con electrones de alta energía.

Los resultados de los experimentos de Stanford y otros semejantes llevados a cabo en Europa son tan interesantes, o acaso más, que los que obtuvo Rutherford. ñEl protón y el neutrón no son elementales! Es más, los experimentos pueden entenderse si se supone que el electrón de altísima energía detecta un conjunto de partículas verdaderamente puntuales que se mueven libremente dentro del protón. El físico norteamericano Richard Feynman, uno de los creadores de la electrodinámica cuántica, llamó partones a esas masas puntuales constituyentes del nucleón. ¿Serán estos partones otros verdaderos átomos, que junto con los leptones sean realmente elementales?

Antes de intentar la respuesta que hoy se da a esta pregunta en la teoría moderna —la cromodinámica cuántica—, veamos algo más sobre la familia bariónica. Entre 1950 y 1960 se descubrió una gran multitud de miembros de esta familia, todos más pesados que el protón. El primer miembro de este grupo fue descubierto en 1952 con el entonces nuevo ciclotrón de la Universidad de Chicago. El proyecto, dirigido por Enrico Fermi, buscaba entender mejor a los piones. Haciendo chocar protones con nucleones se producían mesones p⁺, que luego formaban un haz secundario de energía bien definida. Con ellos se podían hacer experimentos en que choca un pion contra un neutrón o contra un protón. El grupo de Fermi descubrió que la colisión entre el pion y el nucleón mostraba una peculiaridad a unos 300 MeV (es decir, a 300 millones de eV) de energía del mesón. Se le llamó la resonancia 3-3 y hoy se le conoce como la partícula D.

Hacia 1957, en los libros de texto era común que se mencionaran siete bariones, cuyas masas en MeV eran las siguientes:

TABLA 1.

Símbolo	Masa (Mev)	Vida media (seg)
p	938	¥
n	939	1050
L0	1115	2.9 X 10 -10
S0	1189	< 10 -11
S+	1190	.7 X 10 -10
S-	1197	1.6 X 10 -10
X-	1321	< 5 X 10 -10
X0	?	?

A las partículas L, S y X, por ser más pesadas que el neutrón, se les llamó hiperones. Como se ve en la tabla, el protón (p) y el neutrón (n) tienen casi la misma masa; lo mismo es cierto para las partículas sigma. A estas coincidencias en la masa de las partículas los espectroscopistas les llaman, respectivamente, un doblete y un triplete. Notese que en 1957 se creía en la existencia del hiperón X⁰, la cascada neutra, aunque no se le había detectado. Otro hecho interesante que debemos notar en la tabla es la vida media de los hiperones: es siempre del orden de 10^-10 seg, un tiempo pequeño si se mide en segundos, ñpero increiblemente largo si se mide en las unidades de tiempo apropiadas para la interacción fuerte, tiempo que es del orden de 10^-23 segundos!

En efecto, la longitud típica que ocupan los nucleones e hiperones es 1 fermi, o sea 10^-13 cm. Si una partícula cruza esta distancia a una velocidad cercana a la de luz, es decir 3 X 10¹⁰ cm/seg, tarda menos de 10^-23 seg en hacerlo. Éste es el tiempo característico que toman las interacciones fuertes. Medido en estas unidades, 10^-10 seg representa una vida media larguísima. La mecánica cuántica nos da la explicación de este retraso temporal que permite la existencia de esas partículas: la onda que acompaña a la partícula submicroscópica se queda atrapada. Existen, pues, resonancias como las que hacen persistir al sonido en una guitarra o como aquellas que causaron los daños en la Ciudad de México en el sismo del 19 de septiembre de 1985. Aquí, al igual que en los bariones, las ondas sísmicas no pudieron abandonar el lecho profundo y arcilloso del lago de Tenochtitlan. El temblor, en el centro de la capital mexicana, tuvo una duración dos o tres veces mayor que en la vecindad del epicentro, en el Océano Pacífico. Igual ocurre con los bariones y por eso les llaman resonancias.

¿Quién jugó el papel del lago de Tenochtitlan en el caso de los bariones? ¿Qué mecanismo impidió la desintegración de esas resonancias? En otros términos, ¿por qué no pudo actuar la fuerza nuclear? La respuesta es por demás interesante y nos ocuparemos de ella en un instante; pero antes, regresemos a la primera observación que hicimos sobre la tabla de los bariones: varias de las resonancias tienen una masa semejante.

Cuando se midieron las propiedades del neutrón, su parentesco con el protón fue evidente. Sus masas coinciden hasta el 99.9% y su espín es el mismo, pero difieren en que el protón lleva carga eléctrica y el neutrón no; asimismo, este último decae por efecto de la interacción débil cuando está libre. Lo anterior se puede explicar si se supone grosso modo que la energía de estos nucleones se debe a la interacción fuerte, mientras que las pequeñas diferencias en masa son de origen electromagnético. Como esta última fuerza es 100 veces menor que la fuerza nuclear, podemos entender los datos experimentales que caracterizan a los nucleones. Nótese claramente que si sólo existiera la fuerza nuclear, protón y neutrón serían idénticos.

La segunda espectroscopía, la nuclear, nos permite poner a prueba esta última afirmación contundente: la fuerza nuclear no distingue entre un protón y un neutrón. Si analizamos el espectro de energías de dos núcleos, uno con Z protones y N neutrones, y el otro con N protones y Z neutrones, el experimento no debería distinguir, de manera burda, uno del otro. Tenemos en la naturaleza muchas de estas parejas, llamadas núcleos espejo: litio 7 y berilio 7, o boro 11 y carbono 11, por ejemplo. Comprobamos, en efecto, la gran semejanza de los espectros y de ahí que la interacción fuerte sea insensible al valor de T₃ = (Z - N)/2, cantidad que se conoce técnicamente como "tercera componente del espín isotópico". Para nuestros propósitos, bástenos saber que la carga eléctrica Q de los nucleones puede escribirse como

Q =T₃ +A/2,

donde A es el número de masa bariónico, que vale 1 para los nucleones y los hiperones, y 0 para los piones y otros mesones. Con este nuevo concepto cuántico, el espín isotópico, caracterizamos a los multipletes de resonancias, que tienen casi igual masa pero diferente carga eléctrica. Puesto de otra manera: la interacción fuerte respeta al espín isotópico, no puede cambiar su valor.

Ahora podemos regresar a la discusión de la gran vida media de los hiperones L, S, etc. Estas partículas tienen otra propiedad extraña, que también es respetada por la fuerza nuclear. Es decir, ningún proceso causado por la interacción fuerte puede cambiar el valor de esta propiedad. Por extraña, se le dio el nombre de extrañeza y el símbolo S (de la inicial de la palabra inglesa strange). Para partículas extrañas la relación anterior ha de generalizarse, que fue exactamente lo que hicieron el físico americano Murray Gell-Mann y el investigador japonés Kazuhiko Nishijima, al proponer lo que hoy se llama la ley Gell-Mann-Nishijima:

Q=T₃+A/2+S/2.

Para el protón, el neutrón y p, S vale cero: éstas no son partículas extrañas. Cuando S = -1, sin embargo, A = 1, T₃ = 0, la fórmula corresponde a un solo barión neutro, que bien puede ser la resonancia L₀ de la tabla; con A = 1, T₃ = 0,+1,-1, nos da el triplete S⁺, S^- y S⁰. Por su lado, S = -2, A = 1, T₃ = +1/2, podrían representar al hiperón X^- y a su compañero X⁰. ¹ También podemos tener resonancias con S positiva, igual a +1, por ejemplo.

La extrañeza no surge de la nada. Poco después de que se descubrió el mesón p, algo raro llamado la partícula V se vio en los rayos cósmicos. En la cámara de niebla, esta partícula dejaba una traza como la letra V, de ahí su nombre. La masa de esta partícula era mayor que la del pion. Estas partículas V no se ven con frecuencia, por lo que la probabilidad de hallar dos de ellas debería ser pequeñísima. Sin embargo, a menudo se ven en parejas y, además, una de ellas decae luego en un protón. En otras palabras, al chocar los rayos cósmicos de alta energía con la materia se da la producción asociada de un mesón y de un hiperón, que vienen siempre por parejas. Estas partículas deberán ser extrañas, una con S = +1, y otra con S = -1, de tal manera que el estado final no tenga extrañeza. Existen, pues, los mesones extraños: con S = 1, A = 0 y T₃ = +1/2, por ejemplo, formaríamos lo que ahora se conoce como el doblete extraño formado por K⁺ y K⁰ , que son los mesones hoy llamados kaones, de masa cercana a 500 MeV, y que originalmente se detectaron como partículas V en los rayos cósmicos.

Con todo lo anterior, las familias de bariones y mesones crecieron mucho: en vez de los 30 miembros conocidos en 1957, en 1964 podíamos reconocer 80 o más resonancias con masa inferior a 2000 MeV y número de masa A = 1,0, -1. Tenemos pues tantos, o incluso más, bariones y mesones que elementos químicos había en la tabla periodica de Mendeleyev.

Es claro que con una proliferación tal de partículas "elementales" ya no es posible darles este epíteto. Si añadimos, además, lo que ya sabemos sobre el protón cuando lo analizamos con un electrón de alta energía, vemos que los bariones y los mesones no son partículas elementales. La historia se repite y el átomo de los griegos nos elude una vez más.

NOTAS

1 Ya que los físicos creían en la ley Gell-Mann-Nishijima, presentaban en la tabla de hiperones que antes mostramos, y que se acostumbraba en 1957, con un signo de interrogación a la resonacia X⁰, aun cuando no había sido descubierta; ahora ya se ha detectado.