IX. EL MUON Y LOS PIONES: YUKAWA, LATTES, OCCHIALINI Y POWELL
LA INTERACCI�N fuerte que mantiene unidos a protones y neutrones dentro del n�cleo requiri� de una formulaci�n s�lida que permitiera entender la estructura interna del n�cleo. Veamos ahora c�mo, siguiendo el modelo de Maxwell para el electromagnetismo, Hidekei Yukawa propuso que (como el fot�n) deber�an existir las part�culas mensajeras de la interacci�n fuerte, los mesones.
En el presente cap�tulo se revisar�n los descubrimientos de dos part�culas. La relaci�n entre ellas es simplemente anecd�tica pues el descubrimiento de la primera, el muon, ocurri� durante la b�squeda de los mesones, cuyos primeros ejemplares son los piones o mesones p , que causaron la confusi�n correspondiente. El muon es miembro de la familia del electr�n y el neutrino, en el sentido de ser insensibles a la interacci�n fuerte. Por el contrario, por ser mesones, los piones son emisarios de esa fuerza.
IX.2. LA FUERZA NUCLEAR (FUERTE)
La aparici�n del neutr�n permiti� dar una explicaci�n satisfactoria a casi todas las dificultades que emerg�an del antiguo modelo de la estructura nuclear con base en protones y electrones. S�lo quedaba pendiente describir la fuerza que une al n�cleo. Varias cualidades se pueden deducir de la informaci�n sistem�tica que se acumul� a lo largo de varios a�os. Por ejemplo, la f�sica at�mica, que tanto �xito ten�a en ese entonces, ignoraba por completo el efecto de una fuerza extra�a en el n�cleo. Esto indica que la fuerza nuclear s�lo es importante a distancias nucleares. Esta fuerza, denominada por esto mismo de corto alcance, deber�a ser predominantemente de atracci�n para garantizar la estabilidad del n�cleo al contrarrestar la repulsi�n el�ctrica entre los protones. Otras evidencias impon�an m�s restricciones sobre el tipo de fuerza en cuesti�n.
En 1935 el f�sico japon�s Hidekei Yukawa introdujo la idea de campo nuclear, en el mismo sentido en que las ecuaciones de Maxwell describen el campo electromagn�tico. Yukawa naci� en Tokio en 1907, hijo de un profesor de geolog�a de apellido Ogawa; sin embargo, en 1932 Yukawa se cas� con Sumiko Yukawa de quien adopt� el apellido.
La teor�a de campo introduce la idea de interacci�n a distancia a trav�s del intercambio de alg�n tipo de part�cula intermedia. En el caso del campo electromagn�tico, esta part�cula es el fot�n. Al buscar un s�mil con estas ideas, Yukawa se dio cuenta de que existe una relaci�n inversa entre el alcance de la fuerza a describir y la masa de la part�cula intermedia. Por ejemplo, el campo electromagn�tico es de alcance infinito, por lo que la masa del fot�n resulta ser cero. Siendo la fuerza nuclear de corto alcance, Yukawa dedujo que la part�cula intermedia deber�a tener una cierta masa. Ya anteriormente, cuando a�n se cre�a en la existencia de electrones en el n�cleo, Heisenberg propuso que la fuerza de atracci�n entre los protones resultaba del intercambio de electrones, tal como las fuerzas intermoleculares. Sin embargo, usando los argumentos de Yukawa, resultaba que, si la part�cula intermedia era el electr�n, su masa corresponder�a a un alcance unas cien veces mayor al requerido para las fuerzas nucleares. En 1935, Yukawa propuso la existencia de un nuevo tipo de part�culas responsables de transmitir la fuerza nuclear, cuya masa deber�a ser aproximadamente doscientas veces mayor que la del electr�n. Originalmente, Yukawa se refiri� a estas part�culas como pesadas. Poco tiempo despu�s se propusieron nombres como yuk�n y mes�n (por poseer una masa intermedia entre la del electr�n y el prot�n, del griego mesoz = medio), perdurando este �ltimo.
La idea del mes�n qued�, en apariencia, olvidada hasta 1937, en que C.D. Anderson, el descubridor del positr�n, y sus colaboradores, S. H. Neddermeyer, C. E. Stevenson y J. C. Street reportaron haber observado en las trazas dejadas por rayos c�smicos part�culas de masa aproximadamente de doscientas veces la del electr�n. La relaci�n con lo predicho por Yukawa parec�a clara. A esta part�cula se le denomin� mesotr�n por un tiempo, y actualmente se le denomina muon, o lept�n (m )
Hacia el fin de la guerra, en 1945, los observadores de rayos c�smicos hab�an establecido la existencia de dos componentes principales en la radiaci�n, una denominada suave por ser atenuada f�cilmente en los detectores y que consiste principalmente de electrones y fotones, y otra denominada dura, por su gran penetraci�n y que estaba formada predominantemente de muones. Una serie de experimentos realizados hacia fines de la d�cada de 1930 y principios de la de 1940 demostraron que los muones eran inestables pues deca�an en dos millon�simas de segundo. La masa de estas part�culas, inferida a partir de su penetraci�n, hab�a sido medida desde 1937 por el grupo de Anderson, y result� ser unas 210 veces mayor que la masa del electr�n. Tambi�n se observ� la existencia de muones de carga positiva y muones de carga negativa; en ambos casos, la carga era id�ntica en magnitud a la carga del electr�n.
Durante la guerra, los expertos en radiaci�n c�smica acumularon bastante informaci�n sobre la naturaleza y forma de interactuar de los muones, mientras que los te�ricos hac�an 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 s�tano de Roma, sobre la interacci�n de muones con n�cleos. En su trabajo demuestran que los muones positivos siempre decaen produciendo positrones y que los muones negativos son, de preferencia, capturados por n�cleos pesados; por otro lado, aseguraban que al interaccionar con n�cleos ligeros se desintegraban y produc�an electrones. Estas observaciones contradec�an el comportamiento predicho para los mesones negativos de Yukawa, los que deber�an ser absorbidos por cualquier n�cleo, pesado o ligero. Adem�s, la vida media esperada para las part�culas de Yukawa deber�a ser, al menos, cien veces inferior a la que se midi� para los muones.
Como una posible explicaci�n 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
correspond�a a los mesones de Yukawa sino a residuos de su decaimiento. En 1947
apareci� publicado un trabajo de Lattes, Occhialini y Powell con evidencias
experimentales en favor de esta interpretaci�n. Cesare Mansueto Giulio Lattes
naci� en Curitiba, Brasil, en 1924. Durante la guerra, el italiano Giusepe Paolo
Stanislao Occhialini se refugi� en Sao Paulo, donde tuvo como alumno a Lattes.
Al emigrar a Inglaterra, Occhialini se llev� a Lattes con �l a Bristol a trabajar
en el laboratorio de Cecil Frank Powell. El trabajo de Lattes y sus colaboradores
se bas� en im�genes de trazas dejadas por part�culas cargadas en emulsiones
fotogr�ficas (v�ase figura 8). Estas trazas muestran claramente trayectorias
en las que un mes�n se detiene en la emulsi�n y al final de su trayectoria aparece
un muon, de menor energ�a y masa. La interpretaci�n 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 part�culas que tienen poco que ver con las part�culas
responsables de la fuerza nuclear. Por el descubrimiento del mes�n
p , o pion, Powell recibi� el Premio Nobel en 1950 (�con
lo que quedaron sin un reconocimiento equivalente el brasile�o y el italiano!)
Figura 8. Decaimiento del pion. Las trazas que deja un pion al decaer en
placas fotogr�ficas muestran dos v�rtices. 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 m�s un neutrino
(que no deja huella en la placa). En el v�rtice superior, el muon (cuya vida
es mayor) decae en un electr�n m�s dos neutrinos.
La teor�a 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) s�lo explicar�an la fuerza de intercambio entre un neutr�n y un prot�n. Por conservaci�n de la carga, cuando un neutr�n interact�a con un prot�n, el intercambio de piones cargados transforma al neutr�n en prot�n y viceversa. Sin embargo, la interacci�n entre dos protones o dos neutrones s�lo puede ocurrir a trav�s 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 art�culo, este grupo informa de la aparici�n de pares de fotones muy energ�ticos en la interacci�n de protones de alta energ�a. Entre cinco posibles interpretaciones para este fen�meno, Bjorklund y sus colaboradores sugieren la posibilidad de que se trate del decaimiento de piones neutros. Medidas posteriores de este grupo confirmaron esta hip�tesis y determinaron que la vida media de los piones neutros es cien millones de veces m�s corta que la de sus compa�eros cargados. La masa de los piones neutros es ligeramente menor que la de los piones cargados aunque el esp�n de todos ellos es cero. N�tese que los piones neutros fueron las primeras part�culas elementales, literalmente, producidas en aceleradores y no, como hasta entonces, asociadas a la radiaci�n c�smica.
Los piones neutros aparecen en cualquier combinaci�n de la interacci�n entre nucleones (protones o neutrones); adem�s, por ser menos masivos, el intercambio de estas part�culas es m�s frecuente en el n�cleo. 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 part�culas cuya caracter�stica principal es la de no sentir la fuerza nuclear fuerte; por esta raz�n, no son considerados como mesones. Adem�s de los muones, existen otras part�culas insensibles a la fuerza fuerte, como el fot�n, el electr�n, el positr�n, y los neutrinos. Sin contar el fot�n, a estas part�culas se les conoce como leptones, nombre hist�rico derivado de la ra�z leptoz = ligero, por su masa peque�a comparada con las part�culas que s� 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 confusi�n caus� en un principio, es s�lo una coincidencia curiosa.
Una vez m�s, hacia octubre de 1947 parec�a que se hab�a logrado el anhelado sue�o 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 parec�a tener explicaci�n 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 s�lo el fin de otra etapa, que podr�amos denominar nuclear, de la b�squeda de lo elemental.
Una vez establecida la constituci�n del n�cleo, formado por protones y neutrones, el problema siguiente fue entender la fuerza que los mantiene unidos (secci�n IX.2) En su primer modelo te�rico sobre esta fuerza, Yukawa predijo la existencia de una part�cula emisaria de ese campo, part�cula cuya masa deb�a ser intermedia entre la del electr�n y el prot�n: el mes�n. Poco tiempo despu�s, una part�cula tal, el muon, fue descubierta en los rayos c�smicos (secci�n IX.3); sin embargo, sus propiedades eran muy diferentes a las predichas para el mes�n. A�os despu�s, Lattes, Occhialini y Powell descubrieron la verdadera part�cula de Yukawa (secci�n IX.4).
