X. PROLIFERACI�N HADR�NICA: MESONES, BARIONES Y SUS DESCUBRIDORES

X.1. INTRODUCCI�N

EL DESCUBRIMIENTO del pion complet� una etapa en la f�sica de las part�culas elementales. La materia era concebida como hecha de �tomos ligados por fuerzas el�ctricas. Una perturbaci�n suficiente, en este nivel, implica la emisi�n de fotones debida al reacomodo de electrones. En el centro del �tomo, el n�cleo ejerce su atracci�n sobre los electrones, y contiene la totalidad de la carga el�ctrica positiva y casi toda la masa. El n�cleo est� constituido por protones y neutrones que interaccionan entre s� a trav�s de nuevas fuerzas, una de ellas responsable de la atracci�n y estabilidad del n�cleo, mientras la otra, de menor intensidad, se manifiesta en el decaimiento b , en el que el n�cleo emite electrones o positrones. La fuerza electromagn�tica tiene al fot�n, y la fuerza nuclear fuerte tiene al pion. Por otra parte, la fuerza nuclear d�bil requiere de la existencia de una part�cula a�n no descubierta (el neutrino). En cambio, aparece el muon como miembro sorpresa entre la familia de las part�culas descubiertas.

Tras medio siglo de investigaci�n, el n�mero de constituyentes elementales hab�a llegado s�lo a ocho. �Ser�an los �nicos? Decididamente no. Desde 1947 el n�mero de part�culas aument� en forma notable. El desarrollo tecnol�gico de la posguerra impuls� el desarrollo de aceleradores y detectores. Como consecuencia, en los diez a�os que siguieron, el n�mero de part�culas elementales se quintuplic�, llegando a ser casi un centenar en 1964. En el presente cap�tulo se rese�a esta explosi�n demogr�fica en el dominio de las part�culas elementales.

X.2. LAS V, LA t  Y OTRAS

En diciembre de 1947, George Dixon Rochester y Clifford Charles Butler, de la Universidad de Manchester, publicaron evidencias sobre un nuevo tipo de part�culas. Como otros, Rochester y Butler estudiaban las trazas dejadas por los rayos c�smicos en emulsiones fotogr�ficas (v�ase figura 9). Los dos eventos en que se bas� su anuncio dejaron trazas con una forma que recuerda la letra V, por lo que les dieron ese nombre: part�culas V. El primer evento registrado en octubre de 1946 fue interpretado como una part�cula neutra (que no deja huella en emulsiones fotogr�ficas) que decae en dos part�culas cargadas (los brazos de la V). La segunda traza, registrada en mayo de 1947, muestra la trayectoria recta de una part�cula cargada que se quiebra en un punto, resultando en una V cuyos brazos est�n muy abiertos. El punto de quiebre (el v�rtice) se interpret� como el decaimiento de una part�cula cargada en otra cargada y una neutra. En ambos casos, a la part�cula que decae se le estim� una masa m�s de mil veces mayor que la masa del electr�n.

Figura 9. Decaimiento de las part�culas V o L. Las lineas gruesas representan las trazas dejadas por una de estas part�culas al decaer en una c�mara de Wilson. La imagen de la izquierda corresponde a una part�cula neutra (que no deja huella) decayendo en dos cargadas, y la de la derecha una carga que decae en otra cargada m�s una neutra.

Menos de un a�o despu�s, Robert B. Brode, de Berkeley (California), y Louis Leprince-Ringuet, de Par�s, anunciaron evidencias independientes sobre la existencia de otra part�cula cuya masa es 700 veces mayor que la del electr�n. El franc�s la denomin� t . Pocos meses despu�s, el grupo de Bristol encontr� el primer ejemplo del decaimiento de una part�cula t en tres piones cargados.

El inter�s por la nueva fenomenolog�a atrajo a varios laboratorios a dedicar esfuerzos en este tipo de investigaciones. A principios de 1950, Anderson encontr� m�s de treinta ejemplos de trazas de part�culas V. Mientras tanto, en octubre de ese a�o, el grupo de Manchester logr� identificar a un prot�n como uno de los productos del decaimiento de una V, siendo el otro un pion o un muon. Por estas fechas las part�culas V pasaron a llamarse L .

Hacia 1953 los expertos intentaron coordinar sus esfuerzos y, como primera acci�n, adoptaron la nomenclatura de mesones L para los piones y los muones, mesones k para aquellos de masa intermedia entre el pion y el prot�n, e hiperones para aquellas part�culas con masa superior a la del prot�n y el neutr�n, como las L . Posteriormente se introdujo el t�rmino de bari�n para congregar a los nucleones (prot�n o neutr�n) y a los hiperones en un solo grupo.

Entre lo que se da a conocer ese a�o de 1953, destaca la identificaci�n de un prot�n y un pion negativo en el decaimiento de una L  neutra. Tambi�n se encontraron casos de L  cargadas que decaen, ya sea en un prot�n m�s un pion neutro o en un neutr�n m�s un pion positivo. M�s sorprendente a�n, el grupo de Anderson encontr� un fen�meno en el que una L  cargada deca�a en otra L  neutra m�s un pion cargado. Era claro que hab�a m�s de un tipo de hiperones.

En cuanto a los mesones k, se encontraron dos grupos: aquellos que decaen v�a la emisi�n de dos part�culas (piones), denominados q  y aquellos que decaen en tres part�culas (ya sean piones, muones y/o neutrinos), entre los que se hallaban las t, las k y las X. Entre los mesones k parec�a haber ciertas similitudes. Por ejemplo, las t, las k  y las X mostraban tener vidas medias muy parecidas. Adem�s, las mediciones de las masas de las t y las q  resultaron ser id�nticas.

X.3. VIOLACI�N DE LA PARIDAD

�Se tratar�a simplemente de modos alternativos de decaimiento de un mismo tipo de part�cula? Esta hip�tesis sencilla desafortunadamente se encontraba re�ida con una ley emp�rica conocida como conservaci�n de la paridad, para la que, hasta entonces, no se conoc�an contraejemplos. Tal principio se refiere a la indistinguibilidad de un fen�meno f�sico observado ya sea directamente o a trav�s de un espejo. Las fuerzas gravitacionales, electromagn�ticas, as� como la nuclear fuerte, obedecen a este principio fielmente, de manera que todo lo que vemos a trav�s de un espejo es tan descriptible con base en la f�sica que conocemos como lo que vemos en forma directa. Por esta raz�n, los f�sicos consideraban a la paridad como inviolable.

Hacia 1955 la evidencia experimental acumulada segu�a indicando una notable similitud entre las vidas medias, por un lado y las masas de las part�culas t y q , por otro. Esc�pticos sobre una coincidencia tal, los chinos Cheng Ning Yang y su alumno Tsung Dao Lee se dieron cuenta de que, respecto de la fuerza d�bil propuesta por Fermi a�os atr�s, nadie hab�a comprobado la validez del principio de paridad, e hicieron notar que, si esta regla fuera violada por la fuerza de Fermi, no habr�a problema en unificar la t y la q  en una sola part�cula. Las pruebas experimentales sobre esta hip�tesis fueron realizadas por primera vez por otro investigador chino, la se�ora Chien Shiung Wu de la Universidad de Columbia. Por su trabajo te�rico, Lee y Yang recibieron el Premio Nobel en 1957.

En su experimento, Wu observ� el decaimiento del Co60 por emisi�n de rayos b  (electrones). Como se vio antes, los electrones poseen un momento magn�tico intr�nseco debido a su esp�n, de manera que se les puede considerar como peque�os imanes. Si la muestra radiactiva es expuesta a un campo magn�tico externo, los b  emitidos se alinean con el campo rompiendo la isotrop�a. Es decir, los electrones se polarizan por la influencia del campo magn�tico externo. Si el decaimiento b  conservase la paridad, deber�an emitirse tantos electrones cuyo esp�n fuese paralelo respecto al campo externo como en una direcci�n antiparalela, es decir, dirigida en el sentido inverso. La observaci�n de Wu indic� claramente que esta simetr�a no exist�a.

La violaci�n de la paridad fue s�lo el primero de los golpes que recibieran los llamados principios de conjugaci�n PTC (paridad, tiempo y carga). Seg�n estos, no s�lo el cambio de paridad, sino tambi�n la inversi�n en el sentido del tiempo o el intercambio de part�culas por sus antipart�culas deber�a dejar inalterada la descripci�n f�sica. En la actualidad s�lo sobrevive, como principio, aquel en el que la conjugaci�n simult�nea de las tres variables P, T y C deja invariante la descripci�n de cualquier fen�meno f�sico, incluido el decaimiento b , efecto de la fuerza d�bil.

X.4. LAS PART�CULAS "EXTRA�AS"

Otra sorpresa acarreada por las nuevas part�culas, en este caso las L , se refiere a una marcada asimetr�a entre la relativa facilidad con que �stas se producen, comparada con su vida media. La asociaci�n entre la probabilidad de crear una part�cula y su vida media indica que las part�culas que se crean f�cilmente viven poco y viceversa. Sin embargo, las part�culas V parec�an tener una vida media notablemente mayor que la esperada de acuerdo con esta regla. Para resolver este dilema, el estadunidense Murray Gell-Mann, de quien sabremos m�s en el pr�ximo cap�tulo, propuso la existencia de un nuevo n�mero cu�ntico llamado extra�eza, que se conserva en las interacciones en que act�a la fuerza fuerte, pero no en aquellas en que act�a la d�bil. De esta forma, en la creaci�n de part�culas L , que ocurre v�a la interacci�n fuerte se conserva la extra�eza al crearse simult�neamente una part�cula asociada. Sin embargo, al decaer por acci�n de la fuerza d�bil, la violaci�n de la extra�eza aumenta la vida media.

El decaimiento de unas part�culas L , en otras part�culas L , indicaba, claramente, la existencia de un espectro de masas. Las primeras mediciones de estas masas permitieron la identificaci�n de part�culas m�s pesadas. La denominaci�n propuesta sigui� utilizando a la letra L , para los hiperones m�s ligeros, seguida de la � = y la X �  en orden ascendente de masa.

X.5. Y... MUCHAS M�S

La mayor�a de los resultados descritos hasta ahora hab�an sido obtenidos, como siempre, con base en observaciones de rayos c�smicos. Este panorama habr�a de cambiar hacia mediados de la d�cada de 1950, pues los aceleradores de part�culas por esas fechas alcanzaron las energ�as necesarias, con la enorme ventaja de producir haces muy intensos de part�culas con energ�a uniforme.

Entre los primeros estudios interesantes estuvieron los de Fermi, quien, con un ciclotr�n en la Universidad de Chicago, produjo haces de piones que utilizaba para bombardear protones. En 1953 sus observaciones indicaron la existencia de resonancias pion-nucle�n, que �l denomin� part�culas D. Las resonancias pueden verse como part�culas de vida media muy corta.

Hacia 1955 entr� en operaci�n el acelerador Bevatron, en Berkeley, capaz de producir haces de protones de energ�as del orden de los miles de MeV.¹³ Esta energ�a es la m�nima necesaria para producir antiprotones. El experimento, realizado por O. Chamberlain, Emilio Segre, C. E. Wiegannd y T. Ypsilantis, demostr� que la predicci�n de Dirac sobre la existencia de antimateria era v�lida tambi�n para el prot�n. Segre y Chamberlain recibieron el Premio Nobel 1959 por este logro. En 1956, B. Cook, G. R. Laqmbertson, O. Piccioni y W. A. Wentzel, con el mismo acelerador, descubrieron el antineutr�n. La simetr�a entre materia y antimateria, en el sentido de que cada part�cula tiene su antipart�cula, ha sido comprobada sistem�ticamente desde entonces.

Como ya vimos, en 1956 Reines y Cowan demostraron la existencia del neutrino, utilizando el reactor de Savannah River. Poco tiempo despu�s, mientras el dilema sobre la paridad se resolv�a, los f�sicos experimentales intentaron producir haces de neutrinos para poder estudiar con detalle la interacci�n d�bil. Un proceso que deb�a ocurrir con cierta frecuencia, pero que jam�s se hab�a observado, era el decaimiento de un muon en un electr�n m�s un rayo g . Tal proceso se entendi� como la emisi�n de un electr�n acompa�ado de un par neutrino-antineutrino en que la aniquilaci�n de estos �ltimos produc�a la g mencionada. �Qu� inhib�a este mecanismo? Una posibilidad era que hubiera algo que evitara que el par neutrino-antineutrino se aniquilara, indicando la existencia de dos tipos distinguibles de neutrinos.

A principios de la d�cada de 1960 en el laboratorio americano de Brookhaven se mont� un experimento para comprobar esta hip�tesis. El resultado, luego de casi un a�o de experimentaci�n, fue que efectivamente existen dos tipos de neutrino, uno asociado al electr�n y otro asociado al muon. De esta forma, al decaer el muon se emite un electr�n con su antineutrino m�s un neutrino mu�nico, de manera que neutrino y antineutrino no se aniquilan por no ser uno antipart�cula del otro.

Adem�s de las resonancias D del nucle�n, en 1960 M. Alston y su grupo encontraron la primer resonancia asociada a una part�cula extra�a, la � =. El a�o siguiente, el mismo grupo descubri� la primera resonancia para una L , y en 1962, G. M. Pjerrou inform� sobre la primera resonancia para una X . Entre los mesones, las sorpresas aparecieron casi simult�neamente en 1961, en forma de resonancias no extra�as. Primero apareci� la p , descubierta por D. Stonehill y sus colaboradores; posteriormente el grupo de B. Maglic observ� la w y, finalmente la h fue encontrada por A. Pevsner y colaboradores.

Hacia 1963, el n�mero de part�culas elementales hab�a aumentado hasta casi un ciento. Las sensibles a la interacci�n fuerte, ahora denominadas hadrones, que englobaban a los bariones y a los mesones, formaban el grueso de ellas. Con s�lo cuatro leptones, sin contar sus respectivas antipart�culas, el n�mero considerablemente mayor de hadrones descubiertos hasta entonces, y especialmente la existencia de estados excitados para muchos de ellos, indicaba marcadamente la existencia de una estructura interna en estas part�culas, es decir que su calidad de elementales era ya cuestionable. �De qu� est�n hechos los hadrones?

X.6. RESUMEN

El mismo a�o en que se descubri� el pion cargado, Clifford y Butler iniciaron el descubrimiento de nuevas part�culas (secci�n X.2). La nueva fenomenolog�a puso de manifiesto la violaci�n, por parte de la interacci�n d�bil, de la simetr�a especular (secci�n x.3). Otra propiedad interesante de las nuevas part�culas se explica si se supone una nueva cualidad en la naturaleza: la extra�eza (secci�n X.4). La construcci�n de aceleradores de part�culas cada vez m�s potentes dio por resultado el descubrimiento de una nueva espectroscop�a (secci�n X.5).