IX. EL MUON Y LOS PIONES: YUKAWA, LATTES, OCCHIALINI Y POWELL
LA INTERACCIÓN fuerte que mantiene unidos a protones y neutrones dentro del núcleo requirió de una formulación sólida que permitiera entender la estructura interna del núcleo. Veamos ahora cómo, siguiendo el modelo de Maxwell para el electromagnetismo, Hidekei Yukawa propuso que (como el fotón) deberían existir las partículas mensajeras de la interacción fuerte, los mesones.
En el presente capítulo se revisarán los descubrimientos de dos partículas. La relación entre ellas es simplemente anecdótica pues el descubrimiento de la primera, el muon, ocurrió durante la búsqueda de los mesones, cuyos primeros ejemplares son los piones o mesones p , que causaron la confusión correspondiente. El muon es miembro de la familia del electrón y el neutrino, en el sentido de ser insensibles a la interacción fuerte. Por el contrario, por ser mesones, los piones son emisarios de esa fuerza.
IX.2. LA FUERZA NUCLEAR (FUERTE)
La aparición del neutrón permitió dar una explicación satisfactoria a casi todas las dificultades que emergían del antiguo modelo de la estructura nuclear con base en protones y electrones. Sólo quedaba pendiente describir la fuerza que une al núcleo. Varias cualidades se pueden deducir de la información sistemática que se acumuló a lo largo de varios años. Por ejemplo, la física atómica, que tanto éxito tenía en ese entonces, ignoraba por completo el efecto de una fuerza extraña en el núcleo. Esto indica que la fuerza nuclear sólo es importante a distancias nucleares. Esta fuerza, denominada por esto mismo de corto alcance, debería ser predominantemente de atracción para garantizar la estabilidad del núcleo al contrarrestar la repulsión eléctrica entre los protones. Otras evidencias imponían más restricciones sobre el tipo de fuerza en cuestión.
En 1935 el físico japonés Hidekei Yukawa introdujo la idea de campo nuclear, en el mismo sentido en que las ecuaciones de Maxwell describen el campo electromagnético. Yukawa nació en Tokio en 1907, hijo de un profesor de geología de apellido Ogawa; sin embargo, en 1932 Yukawa se casó con Sumiko Yukawa de quien adoptó el apellido.
La teoría de campo introduce la idea de interacción a distancia a través del intercambio de algún tipo de partícula intermedia. En el caso del campo electromagnético, esta partícula es el fotón. Al buscar un símil con estas ideas, Yukawa se dio cuenta de que existe una relación inversa entre el alcance de la fuerza a describir y la masa de la partícula intermedia. Por ejemplo, el campo electromagnético es de alcance infinito, por lo que la masa del fotón resulta ser cero. Siendo la fuerza nuclear de corto alcance, Yukawa dedujo que la partícula intermedia debería tener una cierta masa. Ya anteriormente, cuando aún se creía en la existencia de electrones en el núcleo, Heisenberg propuso que la fuerza de atracción entre los protones resultaba del intercambio de electrones, tal como las fuerzas intermoleculares. Sin embargo, usando los argumentos de Yukawa, resultaba que, si la partícula intermedia era el electrón, su masa correspondería a un alcance unas cien veces mayor al requerido para las fuerzas nucleares. En 1935, Yukawa propuso la existencia de un nuevo tipo de partículas responsables de transmitir la fuerza nuclear, cuya masa debería ser aproximadamente doscientas veces mayor que la del electrón. Originalmente, Yukawa se refirió a estas partículas como pesadas. Poco tiempo después se propusieron nombres como yukón y mesón (por poseer una masa intermedia entre la del electrón y el protón, del griego mesoz = medio), perdurando este último.
La idea del mesón quedó, en apariencia, olvidada hasta 1937, en que C.D. Anderson, el descubridor del positrón, y sus colaboradores, S. H. Neddermeyer, C. E. Stevenson y J. C. Street reportaron haber observado en las trazas dejadas por rayos cósmicos partículas de masa aproximadamente de doscientas veces la del electrón. La relación con lo predicho por Yukawa parecía clara. A esta partícula se le denominó mesotrón por un tiempo, y actualmente se le denomina muon, o leptón (m )
Hacia el fin de la guerra, en 1945, los observadores de rayos cósmicos habían establecido la existencia de dos componentes principales en la radiación, una denominada suave por ser atenuada fácilmente en los detectores y que consiste principalmente de electrones y fotones, y otra denominada dura, por su gran penetración y que estaba formada predominantemente de muones. Una serie de experimentos realizados hacia fines de la década de 1930 y principios de la de 1940 demostraron que los muones eran inestables pues decaían en dos millonésimas de segundo. La masa de estas partículas, inferida a partir de su penetración, había sido medida desde 1937 por el grupo de Anderson, y resultó ser unas 210 veces mayor que la masa del electrón. También se observó la existencia de muones de carga positiva y muones de carga negativa; en ambos casos, la carga era idéntica en magnitud a la carga del electrón.
Durante la guerra, los expertos en radiación cósmica acumularon bastante información sobre la naturaleza y forma de interactuar de los muones, mientras que los teóricos hacían esfuerzos por reconciliar lo observado con las predicciones de Yukawa.
En 1947 Marcello Conversi, Ettore Pancini y Oreste Piccioni reportaron un estudio, realizado mientras se refugiaban en un sótano de Roma, sobre la interacción de muones con núcleos. En su trabajo demuestran que los muones positivos siempre decaen produciendo positrones y que los muones negativos son, de preferencia, capturados por núcleos pesados; por otro lado, aseguraban que al interaccionar con núcleos ligeros se desintegraban y producían electrones. Estas observaciones contradecían el comportamiento predicho para los mesones negativos de Yukawa, los que deberían ser absorbidos por cualquier núcleo, pesado o ligero. Además, la vida media esperada para las partículas de Yukawa debería ser, al menos, cien veces inferior a la que se midió para los muones.
Como una posible explicación a estos problemas, varios investigadores, entre
ellos Hans Albrecht Bethe, Robert Eugene Marshak, y los japoneses Yasutaka Tanikawa,
Shoichi Sakata y Takesi Inoue sugirieron que lo observado hasta entonces no
correspondía a los mesones de Yukawa sino a residuos de su decaimiento. En 1947
apareció publicado un trabajo de Lattes, Occhialini y Powell con evidencias
experimentales en favor de esta interpretación. Cesare Mansueto Giulio Lattes
nació en Curitiba, Brasil, en 1924. Durante la guerra, el italiano Giusepe Paolo
Stanislao Occhialini se refugió en Sao Paulo, donde tuvo como alumno a Lattes.
Al emigrar a Inglaterra, Occhialini se llevó a Lattes con él a Bristol a trabajar
en el laboratorio de Cecil Frank Powell. El trabajo de Lattes y sus colaboradores
se basó en imágenes de trazas dejadas por partículas cargadas en emulsiones
fotográficas (véase figura 8). Estas trazas muestran claramente trayectorias
en las que un mesón se detiene en la emulsión y al final de su trayectoria aparece
un muon, de menor energía y masa. La interpretación de los autores es que los
primeros mesones, bautizados por ellos mesones p
, son los verdaderos mesones de Yukawa, mientras que los muones, producto
de su decaimiento, son otras partículas que tienen poco que ver con las partículas
responsables de la fuerza nuclear. Por el descubrimiento del mesón
p , o pion, Powell recibió el Premio Nobel en 1950 (ñcon
lo que quedaron sin un reconocimiento equivalente el brasileño y el italiano!)
Figura 8. Decaimiento del pion. Las trazas que deja un pion al decaer en
placas fotográficas muestran dos vértices. En esta figura se muestran cuatro
ejemplos de esto. En la parte inferior, un pion deja una traza corta (debido
a su vida media), que termina con el decaimiento en un muon más un neutrino
(que no deja huella en la placa). En el vértice superior, el muon (cuya vida
es mayor) decae en un electrón más dos neutrinos.
La teoría de Yukawa explica el origen de la fuerza nuclear como debida al intercambio de piones. En este sentido, los piones encontrados por Lattes y otros (el pion positivo y el pion negativo) sólo explicarían la fuerza de intercambio entre un neutrón y un protón. Por conservación de la carga, cuando un neutrón interactúa con un protón, el intercambio de piones cargados transforma al neutrón en protón y viceversa. Sin embargo, la interacción entre dos protones o dos neutrones sólo puede ocurrir a través del intercambio de mesones neutros.
Las primeras evidencias de la existencia de piones neutros fueron anunciadas por R. Bjorklund, W. E. Crandall, B. J. Moyer y H. F. York, como resultado de experimentos realizados en 1949 con los aceleradores de Berkeley, California. En su artículo, este grupo informa de la aparición de pares de fotones muy energéticos en la interacción de protones de alta energía. Entre cinco posibles interpretaciones para este fenómeno, Bjorklund y sus colaboradores sugieren la posibilidad de que se trate del decaimiento de piones neutros. Medidas posteriores de este grupo confirmaron esta hipótesis y determinaron que la vida media de los piones neutros es cien millones de veces más corta que la de sus compañeros cargados. La masa de los piones neutros es ligeramente menor que la de los piones cargados aunque el espín de todos ellos es cero. Nótese que los piones neutros fueron las primeras partículas elementales, literalmente, producidas en aceleradores y no, como hasta entonces, asociadas a la radiación cósmica.
Los piones neutros aparecen en cualquier combinación de la interacción entre nucleones (protones o neutrones); además, por ser menos masivos, el intercambio de estas partículas es más frecuente en el núcleo. Sin embargo, a pesar de lo fundamental de su descubrimiento, el trabajo de Bjorklund y sus colaboradores es relativamente poco conocido.
Los muones pertenecen a una familia de partículas cuya característica principal es la de no sentir la fuerza nuclear fuerte; por esta razón, no son considerados como mesones. Además de los muones, existen otras partículas insensibles a la fuerza fuerte, como el fotón, el electrón, el positrón, y los neutrinos. Sin contar el fotón, a estas partículas se les conoce como leptones, nombre histórico derivado de la raíz leptoz = ligero, por su masa pequeña comparada con las partículas que sí sienten la fuerza fuerte, denominados hadrones (adroz = fuerte). Hasta donde se sabe, el parecido entre la masa de los piones y de los muones, que tanta confusión causó en un principio, es sólo una coincidencia curiosa.
Una vez más, hacia octubre de 1947 parecía que se había logrado el anhelado sueño de entender la estructura de la materia. Con los fotones, electrones, protones, neutrones, positrones y piones descubiertos y la certeza de la existencia del neutrino, todo parecía tener explicación y orden dentro de lo entonces considerado como elemental. Todo... menos el muon, a quien algunos llamaron la broma divina. Sin embargo, este panorama, casi perfecto, fue sólo el fin de otra etapa, que podríamos denominar nuclear, de la búsqueda de lo elemental.
Una vez establecida la constitución del núcleo, formado por protones y neutrones, el problema siguiente fue entender la fuerza que los mantiene unidos (sección IX.2) En su primer modelo teórico sobre esta fuerza, Yukawa predijo la existencia de una partícula emisaria de ese campo, partícula cuya masa debía ser intermedia entre la del electrón y el protón: el mesón. Poco tiempo después, una partícula tal, el muon, fue descubierta en los rayos cósmicos (sección IX.3); sin embargo, sus propiedades eran muy diferentes a las predichas para el mesón. Años después, Lattes, Occhialini y Powell descubrieron la verdadera partícula de Yukawa (sección IX.4).
