III. INTERACCIONES DE LA RADIACI�N C�SMICA CON LA MATERIA

COMO ya vimos en el cap�tulo anterior, el experimento de Bothe y Kolh�rster result� crucial para dilucidar la naturaleza de los rayos c�smicos. Los autores concluyeron que las part�culas ionizantes no pod�an ser electrones de rechazo producidos en la interacci�n de radiaci�n gamma con la materia (efecto Compton), ya que de otra manera el poder de penetraci�n de dicha radiaci�n deber�a de ser muy grande y no exist�a en esa �poca raz�n alguna para suponerlo. M�s a�n, pensaron que los rayos c�smicos primarios eran part�culas cargadas y que las que observaron en su experimento, cerca del nivel del mar, eran parte de esos rayos c�smicos primarios que hab�an sido capaces de atravesar la atm�sfera. Como veremos en el presente cap�tulo, el hecho de que esa conclusi�n resultase ser una sobresimplificaci�n de la realidad no le resta m�ritos al car�cter pionero del trabajo de Bothe y Kolh�rster.

La t�cnica de Bothe y Kolh�rster de usar dos o m�s contadores operando en coincidencia, que ha dado en llamarse telescopio contador,¹⁹ ha desempe�ado, hasta nuestros d�as, un papel muy importante en la historia del estudio de los rayos c�smicos. Con telescopios contadores fue posible no s�lo mostrar que lo que llegaba a la superficie eran part�culas cargadas, sino tambi�n observar la direcci�n en que dichas part�culas viajaban. Usando ese tipo de detectores muy pronto se mostr�, si es que a�n exist�an dudas, que esas part�culas ven�an principalmente de la direcci�n vertical y que la intensidad se reduc�a considerablemente al inclinar el telescopio.

CHUBASCOS DE PART�CULAS

Los experimentos con telescopios inclinados a 90� con la vertical condujeron, sin embargo, a resultados inesperados e hicieron que la investigaci�n sobre los rayos c�smicos diera otro paso fundamental para comprender esta misteriosa radiaci�n. Se encontr� que un conjunto de contadores Geiger operando en coincidencia, pero colocados de manera que una sola part�cula proveniente de arriba y viajando en l�nea recta no pudiera descargarlos, de vez en cuando se descargaban simult�neamente. La conclusi�n obvia fue que las part�culas de la radiaci�n c�smica que estaban observando en la superficie no siempre llegaban solas, sino que a veces lo hac�an como miembros de cierto grupo que viajaba m�s o menos verticalmente. No es de extra�ar, entonces, que a esos grupos de part�culas, que descend�an juntos casi al mismo tiempo, se les denominara chubascos de rayos c�smicos.

Las primeras observaciones de estos chubascos las realiz�, en 1929, el f�sico ruso D. Skobeltzyn al observar las trayectorias de algunas part�culas negativas (con energ�as mucho mayores que las de los rayos b ordinarios) que aparec�an simult�neamente en las fotograf�as que hab�a tomado en una c�mara de niebla.

DESCUBRIMIENTO DEL POSITR�N

Tres a�os m�s tarde, en 1932, Carl D. Anderson, al trabajar en el laboratorio de Millikan en el Instituto Tecnol�gico de California, con una c�mara de niebla colocada en el campo de un poderoso electroim�n, pudo medir la deflexi�n magn�tica de las trayectorias y determinar el radio de curvatura (v�ase el Ap�ndice C) de las part�culas generadas en un chubasco. Este era mayor de siete metros, lo que implicaba una energ�a cin�tica de 5 x 10⁹ eV para part�culas con masa igual a la del electr�n o 4 x 10⁹ eV para part�culas con la masa del prot�n, es decir, cientos de veces mayor que cualquier energ�a previamente medida. Para darnos una idea de lo que esto significa diremos que 1 GeV (10⁹ eV) es poco m�s de la mil�sima parte de la energ�a necesaria para mover un gramo de materia un cent�metro. Una peque�a part�cula subat�mica con 1 000 GeV de energ�a ser�a entonces capaz de desplazar un bloque de 0.001 kg una distancia de 0.01 m.

Otro de sus hallazgos fue que alrededor de la mitad de las trayectorias se desviaban hacia la derecha mientras que la otra mitad lo hac�a hacia la izquierda. Anderson concluy� que en la radiaci�n c�smica de origen local las part�culas cargadas positiva y negativamente abundaban por igual. Las part�culas positivas, sin embargo, ten�an una masa muy peque�a como para poder considerarlas protones. De estos experimentos concluy� que esas part�culas eran electrones que se mov�an hacia arriba o part�culas ligeras desconocidas, de carga positiva, que se mov�an hacia abajo. En el esp�ritu del conservadurismo cient�fico Anderson adopt� en un principio la primera interpretaci�n. Sin embargo, Millikan lo increp� apuntando que "todo mundo sabe que las part�culas de los rayos c�smicos viajan hacia abajo y no hacia arriba, excepto en casos muy raros y, por lo tanto, esas part�culas deb�an ser protones que se movieran hacia abajo".

Para Anderson este punto de vista era dif�cil de aceptar ya que pr�cticamente en todos los casos la ionizaci�n producida por esas part�culas era muy baja para que su masa fuese la del prot�n.

Para resolver esa aparente paradoja Anderson insert� en medio de la c�mara de niebla una placa de plomo con objeto de determinar la direcci�n en que viajaban esas part�culas y distinguir las que se mov�an hacia arriba y las que se mov�an hacia abajo. No tard� mucho en obtener un claro ejemplo de una part�cula ligera de carga positiva que atravesaba la placa de plomo entrando a la c�mara desde abajo y movi�ndose hacia arriba. Las mediciones sobre la ionizaci�n producida y la curvatura de la part�cula mostraban con claridad que se trataba de una part�cula con masa mucho menor que la del prot�n: pr�cticamente igual a la del electr�n. Resulta curioso que, a pesar de las fuertes cr�ticas de Millikan en el sentido de que eran raros los casos de rayos c�smicos que se movieran hacia arriba, �ste era uno de esos casos.

En esa misma �poca se encontraba trabajando tambi�n en el Laboratorio Cavendish el joven f�sico ingl�s Paul A. M. Dirac, quien hab�a propuesto a�os antes una nueva teor�a sobre el electr�n. En dicha teor�a, Dirac combinaba los principios b�sicos de la mec�nica cu�ntica con los postulados de la teor�a de la relatividad de Einstein. Para muchos la teor�a de Dirac no ten�a sentido: predec�a cosas absurdas como la existencia de part�culas con masa y energ�a negativas.

Mediante un argumento un tanto caprichoso Dirac mostr� que su teor�a pod�a sostenerse si se supon�a la existencia de electrones tanto positivos como negativos. Aunque trat� de identificar al electr�n positivo con el prot�n, en su teor�a, sin embargo, se negaba obstinadamente a aceptar que la hipot�tica part�cula tuviese una masa diferente a la del electr�n negativo. Las dos part�culas ten�an que ser id�nticas, excepto por el signo de sus cargas. De acuerdo con una expresi�n que vendr�a a ponerse de moda despu�s, cada una de esas part�culas era la antipart�cula de la otra. Las part�culas positivas de los experimentos de Anderson y de otros posteriores de Blackett y Occhialini eran los electrones positivos requeridos por la teor�a de Dirac. De inmediato, las piezas del rompecabezas empezaron a caer en su lugar.

PROCESO DE MATERIALIZACI�N DE LA ENERG�A

�Por qu� eran tan raros esos electrones positivos que no hab�an podido ser observados con anterioridad? La respuesta, seg�n la teor�a de Dirac, era que los electrones positivos en la materia ten�an una vida muy corta, ya que al encontrarse con un electr�n negativo las dos part�culas se aniquilaban una a otra. Sus masas eran transformadas en energ�a de acuerdo con la expresi�n de Einstein E = mc² y esa energ�a era radiada en forma de fotones.

�Por qu� los chubascos conten�an el mismo n�mero de electrones positivos y negativos? La respuesta, nuevamente de acuerdo con la teor�a de Dirac, era que el electr�n positivo siempre era creado junto con un electr�n negativo. La masa de los dos resultaba de un proceso de materializaci�n, conocido como producci�n de pares, en el cual parte o toda la energ�a de la part�cula primaria era transformada en masa. En esta teor�a, fotones de alta energ�a eran capaces de producir pares de electrones positivos y negativos a trav�s de la materializaci�n de energ�a. Blackett y Occhialini hab�an observado en sus experimentos que frecuentemente se originaban chubascos en una placa colocada en medio de una c�mara de niebla sin que hubiese traza de que alguna part�cula entrara a la placa desde arriba. Estos rayos neutros, como los denominaron, eran los fotones requeridos por la teor�a de Dirac.

Con el descubrimiento del positr�n, nombre dado por Anderson al electr�n positivo, se atestigua por primera vez el proceso de creaci�n de part�culas de materia a partir de energ�a. Por otro lado, el positr�n representaba tambi�n el primer ejemplo de una part�cula de antimateria. Se cree hoy en d�a que todas las part�culas tienen su correspondiente antipart�cula, de hecho, muchas han sido ya identificadas.

OBSERVACIONES SOBRE LA PRODUCCI�N DE CHUBASCOS

Volviendo a nuestra historia, en el mismo a�o en que Anderson descubr�a el positr�n, Bruno Rossi, interesado tambi�n en la producci�n de chubascos por los rayos c�smicos, coloc� tres contadores Geiger en una configuraci�n triangular, como se muestra en el interior de la figura 6, de manera que la descarga de los tres s�lo pod�a ser causada por un chubasco que contuviese al menos dos part�culas, incluyendo la incidente, o por el caso, poco probable, de dos part�culas independientes pasando a trav�s del aparato casi simult�neamente. La placa colocada arriba de los contadores era de plomo. Sin esta placa, Rossi observ� 6.75 coincidencias triples por hora. Cuando se colocaba la placa de 0.01 m de plomo, el n�mero de triples coincidencias aumentaba a 14.1 por hora. Era claro, por lo tanto, que la mayor�a de las coincidencias observadas con el plomo en su lugar, se deb�a a chubascos de part�culas provenientes de la interacci�n de los rayos c�smicos con el mismo plomo.

Figura 6. N�mero de coincidencias de un grupo de contadores como funci�n del espesor de la placa de plomo colocada por arriba de ellos. El arreglo usado por Rossi se muestra en la parte superior.

Al estudiar el n�mero de coincidencias como funci�n del espesor de la placa, Rossi encontr� que dicho n�mero se incrementaba r�pidamente hasta alcanzar un m�ximo para un espesor de la placa entre 0.01 y 0.02 m. Despu�s de ese m�ximo la curva, como puede verse en la figura, decrec�a primero con rapidez para despu�s hacerlo m�s lentamente a medida que el espesor segu�a increment�ndose.

En ese entonces muchos pensaban que las part�culas penetrantes encontradas en la atm�sfera eran los mismos rayos c�smicos primarios. Supuestamente, estas part�culas iniciaban los chubascos por interacci�n con los n�cleos at�micos. Sin embargo, la forma de la curva n�mero de coincidencias vs. espesor del plomo (v�ase la figura 6), mostraba otra cosa. Se sab�a que las part�culas de la radiaci�n c�smica pod�an penetrar hasta varios metros de plomo; su n�mero y energ�a no cambiar�an mucho al penetrar tan solo unos cuantos cent�metros de plomo. Aun as�, el n�mero de chubascos que sal�an de la placa de plomo decrec�a aproximadamente a la mitad cuando el espesor se incrementaba de 0.02 a 0.05 m. Era claro que la radiaci�n responsable de los chubascos era mucho m�s f�cilmente absorbida por el plomo que la famosa H�henstrahlung.

Estos experimentos fueron, de hecho, cruciales. Si era posible crear en el laboratorio chubascos en capas de plomo, �no era tambi�n posible que todos los chubascos se originaran en la atm�sfera, y que muchas otras part�culas detectadas con un telescopio contador tuviesen el mismo origen, aun cuando fuesen observadas como part�culas individuales y no como miembros de un grupo de chubascos?

Estos resultados experimentales, as� como otros que se hab�an obtenido hasta ese entonces, y que hemos omitido para ser breves, permitieron que en el transcurso de los siguientes tres a�os se pudiera desarrollar una teor�a satisfactoria sobre el fen�meno de los chubascos y llegar a ciertas conclusiones importantes sobre la radiaci�n que los produc�a.

LOS CHUBASCOS COMO UN PROCESO DE CASCADA

De acuerdo con ciertos autores, entre los que destacan Bethe y Heitler, Bhabha, Carlson y Oppenheimer, cuando un fot�n de alta energ�a (varios GeV) penetra en un bloque de plomo, despu�s de viajar una distancia peque�a (del orden de 0.007 m seg�n la teor�a) desaparece, dando lugar a dos electrones (uno positivo y el otro negativo), los cuales, de acuerdo con el principio de conservaci�n de la energ�a, comparten la energ�a del fot�n incidente. Los dos electrones no viajan muy lejos antes de radiar cada uno un fot�n, por lo cual pierden una gran fracci�n de su energ�a.

Estos fotones, as� creados, pronto se materializan en un nuevo par de electrones y el proceso contin�a. En cada nueva interacci�n se crea un par de part�culas. Dos electrones surgen de un solo fot�n; un electr�n y un fot�n, de un solo electr�n. Durante este proceso, la energ�a de la part�cula individual se reduce, en promedio, a la mitad. Como resultado de este proceso, el n�mero de part�culas se incrementa al principio mientras que sus energ�as se reducen.

A la larga, como la energ�a original ha sido compartida entre un n�mero cada vez mayor de part�culas reci�n creadas, la mayor�a de los electrones no tienen la energ�a suficiente para radiar nuevos fotones y son, entonces, r�pidamente frenados por p�rdidas por ionizaci�n. Igualmente, el mayor n�mero de fotones reci�n radiados tienen menor energ�a y son incapaces de producir pares de electrones, y son r�pidamente absorbidos por colisiones Compton. De esta manera, el chubasco envejece y termina por morir.

Esta interpretaci�n de los chubascos demostr� ser la correcta y estableci� varios hechos importantes:

1) La radiaci�n local conten�a electrones y fotones con energ�as de varios giga electr�n volts (GeV).
2) Los chubascos observados resultaban de un proceso de cascada iniciado por esos electrones y fotones.
3) Las interacciones individuales, responsables de las cascadas, eran colisiones radiativas de electrones y producci�n de pares por fotones. Estos procesos ocurr�an en la vecindad de los n�cleos at�micos; sin embargo, no produc�an cambio alguno en la estructura de los n�cleos, lo cual era contrario a la idea que se ten�a en un principio de que los chubascos eran el resultado de desintegraciones nucleares. Cada interacci�n daba lugar a s�lo dos part�culas (dos electrones o un fot�n y un electr�n). Los grupos de muchas part�culas que ocasionalmente parec�an divergir de un solo punto resultaban de varias interacciones individuales que ocurr�an, una despu�s de otra, en la materia.
4) Las part�culas ionizantes que constitu�an la componente blanda de la radiaci�n c�smica local, la menos penetrante, eran electrones de chubascos que ten�an su origen en la atm�sfera o en los techos de los edificios donde se efectuaban los experimentos.

Estos resultados eran, desde luego, muy alentadores. Sin embargo, era a�n necesario explicar la aparente contradicci�n entre los datos experimentales sobre los chubascos y los datos sobre las part�culas muy penetrantes, que perd�an energ�a �nicamente por ionizaci�n al atravesar espesores considerables de materiales pesados (como el plomo).

DESCUBRIMIENTO DEL MES�N MU

Uno de los objetivos principales de los experimentos que se llevaron a cabo en aquella �poca fue el de identificar la naturaleza de esas part�culas penetrantes de la radiaci�n c�smica. Se sab�a que ten�an unidad de carga el�ctrica y, por lo tanto, deb�an ser electrones positivos, negativos o protones, las �nicas part�culas individuales cargadas conocidas en aquel entonces.

Exist�an, sin embargo, diversas dificultades con respecto a la naturaleza de esas part�culas. La objeci�n m�s importante a que fueran protones era que un prot�n con la misma rigidez magn�tica de un electr�n de 200 MeV (v�ase el Ap�ndice C) ionizar�a aproximadamente 10 veces m�s que el electr�n. Sin embargo, todas las trayectorias observadas en c�maras de niebla mostraban una m�nima ionizaci�n.

El problema m�s serio al considerarlas como electrones —positivos o negativos— era que no se observaban las p�rdidas de energ�a por radiaci�n de los electrones que, de acuerdo con c�lculos te�ricos basados en la teor�a de Bethe y Heitler, deber�an ser muy grandes.

�sta era la situaci�n en 1934, las part�culas penetrantes no parec�an ser protones ni electrones. Algunos cient�ficos insistieron, sin embargo, en considerarlas como electrones, aunque de un tipo diferente, y hablaban de electrones verdes y electrones rojos; los primeros eran del tipo penetrante y los segundos del tipo absorbible, los cuales perd�an grandes cantidades de energ�a al producir radiaci�n. Otros pensaron en la existencia de un nuevo tipo de part�cula, una con masa intermedia entre la del electr�n y la del prot�n.

Pero en 1935, el f�sico japon�s H. Yukawa public� sus famosas y fundamentales ideas sobre la naturaleza de las fuerzas nucleares y como consecuencia de ellas la posible existencia de un nuevo tipo de part�cula portadora de esas fuerzas nucleares, an�loga al fot�n, portador de las fuerzas electromagn�ticas. Sin embargo, a diferencia de estas fuerzas, las nucleares poseen �nicamente un peque�o rango de acci�n. Esto significa que si las fuerzas nucleares son descritas en t�rminos de una part�cula portadora, esta part�cula debe tener una masa finita, a diferencia del fot�n, cuya masa en reposo es cero.

Yukawa, basado en el rango conocido de las fuerzas nucleares, estim� que esa part�cula deb�a tener una masa en reposo aproximadamente 200 veces m�s pesada que el electr�n. De la teor�a se desprend�a tambi�n que deber�an existir part�culas tanto cargadas como neutras y que cuando se encontrasen libres �stas deber�an manifestarse como part�culas inestables, es decir, deb�an decaer como lo hacen los n�cleos de sustancias radiactivas. A�n m�s, Yukawa hab�a determinado, equivocadamente, que la vida media²⁰ de estas part�culas, antes de decaer, deb�a ser del orden de un microsegundo (10^-6 s)²¹ y los productos del decaimiento de cada part�cula ser�an un electr�n y un neutrino. La existencia de esta �ltima part�cula, con masa cero y sin carga el�ctrica, hab�a sido postulada por Pauli y Fermi para explicar por qu� los electrones emitidos en el decaimiento b de un elemento radiactivo dado ten�an una variedad de energ�as.

Ese mismo a�o, Anderson y Neddermeyer obtuvieron las primeras evidencias de un nuevo tipo de part�culas. En una serie de experimentos llevados a cabo en Pikes Peak (California), usando una c�mara de niebla con una placa de plomo de 0.0035 m de espesor en medio, observaron desintegraciones nucleares en las que muchos protones eran expelidos, pero en algunos casos se observaban tambi�n part�culas cuya ionizaci�n y curvaturas no correspond�an a protones ni a electrones de rigideces equivalentes. Pero no fue sino hasta 1937, despu�s de haber tomado m�s de 6 000 fotograf�as en las cuales midieron separadamente las p�rdidas de energ�a de part�culas individuales y asociadas, que llegaron a la conclusi�n de que "existen part�culas de carga unitaria pero con una masa (la cual puede no tener un valor �nico) mayor que la de un electr�n libre y mucho menor que la de un prot�n".

M�s o menos en la misma �poca, J. Street y E. C. Stevenson, trabajando en la Universidad de Harvard, reportaron resultados experimentales en los que a partir de la concentraci�n de gotitas a lo largo de la trayectoria de una part�cula, en una c�mara de niebla, conclu�an que la part�cula en cuesti�n ten�a una masa de aproximadamente 200 masas del electr�n. En esta investigaci�n Street y Stevenson no s�lo hab�an establecido, sin lugar a dudas, la existencia de una nueva part�cula, sino que hab�an proporcionado una estimaci�n bastante exacta de su masa (el verdadero valor es de 206.77).

Durante alg�n tiempo a esta nueva part�cula se le conoci� con diversos nombres como: bari�n, part�cula X, electr�n pesado, mesotr�n, o yuk�n (en honor a Yukawa), siendo por �ltimo el de mes�n, que viene del griego Mesos y que significa medio, el que logr� la aceptaci�n general. Poco despu�s, cuando las investigaciones revelaron la existencia de otro tipo de mesones, los f�sicos le pusieron al mes�n original el prefijo mu (m).

Desde un principio fue claro que la part�cula de Yukawa y el mes�n de los rayos c�smicos no pod�an ser la misma part�cula. La part�cula de Yukawa fue propuesta para explicar las fuertes fuerzas nucleares, mientras que los mesones de la radiaci�n c�smica parec�an ignorar por completo las fuerzas nucleares e interaccionar con la materia �nicamente a trav�s de fuerzas electromagn�ticas.

Sin embargo, no fue sino hasta 1947, con el descubrimiento del pion por C. F. Powell y su grupo, que esta part�cula pudo ser identificada con la de Yukawa, aunque el subsecuente descubrimiento de toda una multitud de part�culas ha mostrado lo extremadamente complejo del car�cter de las fuerzas nucleares, un problema a�n sin soluci�n.

El descubrimiento de los mesones m en 1937 cerr� otro cap�tulo en la historia de los rayos c�smicos, el cual se hab�a iniciado con los experimentos de Bothe y Kolh�rster. La naturaleza de la radiaci�n c�smica local, observada en la atm�sfera, era ahora clara: las part�culas penetrantes eran mesones m; las part�culas que eran f�cilmente absorbidas eran electrones, y las no ionizantes eran fotones. Los mesones m, los electrones y los fotones constitu�an pr�cticamente la totalidad de la radiaci�n encontrada al nivel del mar.