XIII. LA HISTORIA SE REPITE
A PRINCIPIOS de siglo, Rutherford lanz� part�culas a contra l�minas
de metal formadas por �tomos. Lleg� a la conclusi�n de que el �tomo era un sistema
compuesto, con un n�cleo masivo en el centro y electrones a su alrededor. Los
f�sicos 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 at�mica la historia se repite: los nucleones tambi�n tienen una complicada
estructura interna. Prot�n y neutr�n no son, en consecuencia, part�culas verdaderamente
elementales.
La diferencia entre las experiencias de Rutherford y los experimentos de Stanford
se puede ver f�cilmente si usamos, una vez m�s, 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 radiaci�n 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 � 1 fermi implica
una energ�a para esos proyectiles que es del orden de los mil millones de electr�n-voltios.
Esta es ahora la unidad pertinente de energ�a, y le llamamos giga-electr�n-voltio,
GeV por brevedad. Con el super microscopio electr�nico SLAC podemos "ver" lo
que ocurre dentro de un prot�n. En particular, es posible averiguar si esta
part�cula tiene algo dentro, o si es puntual y en consecuencia verdaderamente
elemental. Hay sorpresas en puerta.
Resulta c�modo, por varias razones, usar electrones para analizar protones. Primero, y hasta donde sabemos, el electr�n es una part�cula puntual. En segundo lugar, nucleones y electrones interact�an por medio de las fuerzas electromagn�tica y d�bil, pero no a trav�s de la fuerte. Es m�s, la fuerza d�bil es tan d�bil si se compara con la electromagn�tica, que �sta �ltima es la �nica que rige la colisi�n de un electr�n muy veloz con el blanco de protones. Pero entonces vamos por buen camino, pues el electromagnetismo es el �nico dominio de la f�sica en que nos movemos con pie seguro. La electrodin�mica cu�ntica (y cuando la situaci�n f�sica as� lo permite, su l�mite cl�sico) ha mostrado su validez aun cuantitativa en cuanto experimento se la ha probado, desde distancias c�smicas hasta 10-15 cent�metros. Puesto en otros t�rminos: podemos suponer que conocemos bien c�mo se comporta un experimento con electrones de alta energ�a.
Los resultados de los experimentos de Stanford y otros semejantes llevados a cabo en Europa son tan interesantes, o acaso m�s, que los que obtuvo Rutherford. �El prot�n y el neutr�n no son elementales! Es m�s, los experimentos pueden entenderse si se supone que el electr�n de alt�sima energ�a detecta un conjunto de part�culas verdaderamente puntuales que se mueven libremente dentro del prot�n. El f�sico norteamericano Richard Feynman, uno de los creadores de la electrodin�mica cu�ntica, llam� partones a esas masas puntuales constituyentes del nucle�n. �Ser�n estos partones otros verdaderos �tomos, que junto con los leptones sean realmente elementales?
Antes de intentar la respuesta que hoy se da a esta pregunta en la teor�a moderna —la cromodin�mica cu�ntica—, veamos algo m�s sobre la familia bari�nica. Entre 1950 y 1960 se descubri� una gran multitud de miembros de esta familia, todos m�s pesados que el prot�n. El primer miembro de este grupo fue descubierto en 1952 con el entonces nuevo ciclotr�n de la Universidad de Chicago. El proyecto, dirigido por Enrico Fermi, buscaba entender mejor a los piones. Haciendo chocar protones con nucleones se produc�an mesones p+, que luego formaban un haz secundario de energ�a bien definida. Con ellos se pod�an hacer experimentos en que choca un pion contra un neutr�n o contra un prot�n. El grupo de Fermi descubri� que la colisi�n entre el pion y el nucle�n mostraba una peculiaridad a unos 300 MeV (es decir, a 300 millones de eV) de energ�a del mes�n. Se le llam� la resonancia 3-3 y hoy se le conoce como la part�cula D.
Hacia 1957, en los libros de texto era com�n que se mencionaran siete bariones,
cuyas masas en MeV eran las siguientes:
| 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 part�culas L, S y X, por ser m�s pesadas que el neutr�n, se les llam� hiperones. Como se ve en la tabla, el prot�n (p) y el neutr�n (n) tienen casi la misma masa; lo mismo es cierto para las part�culas sigma. A estas coincidencias en la masa de las part�culas los espectroscopistas les llaman, respectivamente, un doblete y un triplete. Notese que en 1957 se cre�a en la existencia del hiper�n X0, la cascada neutra, aunque no se le hab�a 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 peque�o si se mide en segundos, �pero increiblemente largo si se mide en las unidades de tiempo apropiadas para la interacci�n fuerte, tiempo que es del orden de 10-23 segundos!
En efecto, la longitud t�pica que ocupan los nucleones e hiperones es 1 fermi, o sea 10-13 cm. Si una part�cula 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. �ste es el tiempo caracter�stico que toman las interacciones fuertes. Medido en estas unidades, 10-10 seg representa una vida media largu�sima. La mec�nica cu�ntica nos da la explicaci�n de este retraso temporal que permite la existencia de esas part�culas: la onda que acompa�a a la part�cula submicrosc�pica se queda atrapada. Existen, pues, resonancias como las que hacen persistir al sonido en una guitarra o como aquellas que causaron los da�os en la Ciudad de M�xico en el sismo del 19 de septiembre de 1985. Aqu�, al igual que en los bariones, las ondas s�smicas no pudieron abandonar el lecho profundo y arcilloso del lago de Tenochtitlan. El temblor, en el centro de la capital mexicana, tuvo una duraci�n dos o tres veces mayor que en la vecindad del epicentro, en el Oc�ano Pac�fico. Igual ocurre con los bariones y por eso les llaman resonancias.
�Qui�n jug� el papel del lago de Tenochtitlan en el caso de los bariones? �Qu� mecanismo impidi� la desintegraci�n de esas resonancias? En otros t�rminos, �por qu� no pudo actuar la fuerza nuclear? La respuesta es por dem�s interesante y nos ocuparemos de ella en un instante; pero antes, regresemos a la primera observaci�n que hicimos sobre la tabla de los bariones: varias de las resonancias tienen una masa semejante.
Cuando se midieron las propiedades del neutr�n, su parentesco con el prot�n fue evidente. Sus masas coinciden hasta el 99.9% y su esp�n es el mismo, pero difieren en que el prot�n lleva carga el�ctrica y el neutr�n no; asimismo, este �ltimo decae por efecto de la interacci�n d�bil cuando est� libre. Lo anterior se puede explicar si se supone grosso modo que la energ�a de estos nucleones se debe a la interacci�n fuerte, mientras que las peque�as diferencias en masa son de origen electromagn�tico. Como esta �ltima fuerza es 100 veces menor que la fuerza nuclear, podemos entender los datos experimentales que caracterizan a los nucleones. N�tese claramente que si s�lo existiera la fuerza nuclear, prot�n y neutr�n ser�an id�nticos.
La segunda espectroscop�a, la nuclear, nos permite poner a prueba esta �ltima afirmaci�n contundente: la fuerza nuclear no distingue entre un prot�n y un neutr�n. Si analizamos el espectro de energ�as de dos n�cleos, uno con Z protones y N neutrones, y el otro con N protones y Z neutrones, el experimento no deber�a distinguir, de manera burda, uno del otro. Tenemos en la naturaleza muchas de estas parejas, llamadas n�cleos 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 ah� que la interacci�n fuerte sea insensible al valor de T3 = (Z - N)/2, cantidad que se conoce t�cnicamente como "tercera componente del esp�n isot�pico". Para nuestros prop�sitos, b�stenos saber que la carga el�ctrica Q de los nucleones puede escribirse como
donde A es el n�mero de masa bari�nico, que vale 1 para los nucleones y los hiperones, y 0 para los piones y otros mesones. Con este nuevo concepto cu�ntico, el esp�n isot�pico, caracterizamos a los multipletes de resonancias, que tienen casi igual masa pero diferente carga el�ctrica. Puesto de otra manera: la interacci�n fuerte respeta al esp�n isot�pico, no puede cambiar su valor.
Ahora podemos regresar a la discusi�n de la gran vida media de los hiperones L, S, etc. Estas part�culas tienen otra propiedad extra�a, que tambi�n es respetada por la fuerza nuclear. Es decir, ning�n proceso causado por la interacci�n fuerte puede cambiar el valor de esta propiedad. Por extra�a, se le dio el nombre de extra�eza y el s�mbolo S (de la inicial de la palabra inglesa strange). Para part�culas extra�as la relaci�n anterior ha de generalizarse, que fue exactamente lo que hicieron el f�sico americano Murray Gell-Mann y el investigador japon�s Kazuhiko Nishijima, al proponer lo que hoy se llama la ley Gell-Mann-Nishijima:
Para el prot�n, el neutr�n y p, S vale cero: �stas no son part�culas extra�as. Cuando S = -1, sin embargo, A = 1, T3 = 0, la f�rmula corresponde a un solo bari�n 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, podr�an representar al hiper�n X- y a su compa�ero X0. 1 Tambi�n podemos tener resonancias con S positiva, igual a +1, por ejemplo.
La extra�eza no surge de la nada. Poco despu�s de que se descubri� el mes�n p, algo raro llamado la part�cula V se vio en los rayos c�smicos. En la c�mara de niebla, esta part�cula dejaba una traza como la letra V, de ah� su nombre. La masa de esta part�cula era mayor que la del pion. Estas part�culas V no se ven con frecuencia, por lo que la probabilidad de hallar dos de ellas deber�a ser peque��sima. Sin embargo, a menudo se ven en parejas y, adem�s, una de ellas decae luego en un prot�n. En otras palabras, al chocar los rayos c�smicos de alta energ�a con la materia se da la producci�n asociada de un mes�n y de un hiper�n, que vienen siempre por parejas. Estas part�culas deber�n ser extra�as, una con S = +1, y otra con S = -1, de tal manera que el estado final no tenga extra�eza. Existen, pues, los mesones extra�os: con S = 1, A = 0 y T3 = +1/2, por ejemplo, formar�amos lo que ahora se conoce como el doblete extra�o formado por K+ y K0 , que son los mesones hoy llamados kaones, de masa cercana a 500 MeV, y que originalmente se detectaron como part�culas V en los rayos c�smicos.
Con todo lo anterior, las familias de bariones y mesones crecieron mucho: en vez de los 30 miembros conocidos en 1957, en 1964 pod�amos reconocer 80 o m�s resonancias con masa inferior a 2000 MeV y n�mero de masa A = 1,0, -1. Tenemos pues tantos, o incluso m�s, bariones y mesones que elementos qu�micos hab�a en la tabla periodica de Mendeleyev.
Es claro que con una proliferaci�n tal de part�culas "elementales" ya no es posible darles este ep�teto. Si a�adimos, adem�s, lo que ya sabemos sobre el prot�n cuando lo analizamos con un electr�n de alta energ�a, vemos que los bariones y los mesones no son part�culas elementales. La historia se repite y el �tomo de los griegos nos elude una vez m�s.
NOTAS
1 Ya que los f�sicos 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 interrogaci�n a la resonacia X0, aun cuando no hab�a sido descubierta; ahora ya se ha detectado.
