Introducción a la ciencia I. Ciencias Físicas (75 page)

El estudio de las combinaciones del quark está aún tan en sus inicios que el color no se detecta nunca en el producto final, como las cargas eléctricas fraccionarias tampoco lo son, y se denomina a esto
cromodinámica cuántica
, utilizando la palabra
cromo
de una voz griega que significa «color». (Este término deriva también de una moderna teoría de las interacciones electromagnéticas que ha tenido éxito, y a la que se denomina
electrodinámica cuántica.
)

Cuando los quarks se combinan lo hacen a través de una partícula de intercambio, que siempre oscila hacia delante y hacia atrás, y que sirve para mantenerlos unidos. A esta partícula de intercambio se la llama gluón, por razones obvias, teniendo en cuenta que en inglés la palabra
gluón
deriva de
glue
(«pegamento»). Los gluones sí poseen color, lo cual añade más complicaciones al asunto y pueden mantenerse unidos para formar un producto llamado
glueballs
(bolas de pegamento).

Aunque los hadrones no pueden separarse para formar quarks aislados (dos en el caso de los mesones, tres en el caso de los bariones), existen más formas indirectas de demostrar la existencia del quark. Los quarks podrían formarse por rascamiento si se concentrase la suficiente energía en un pequeño volumen, o aplastando juntas unas corrientes muy enérgicas de electrones y positrones (las suficientes para formar un tauón).

Los quarks producidos de esta forma se combinarían instantáneamente en hadrones y antihadrones que saldrían en direcciones opuestas. Si hubiese la suficiente energía, habría tres corrientes que formarían un trébol de tres hojas: hadrones, antihadrones y gluones. El trébol de dos hojas ya ha sido formado y, en 1979, se anunciaron experimentos en los que una rudimentaria tercera hoja estaba empezando a formarse. Esto es una fuerte confirmación de la teoría de los quarks.

Cada partícula que posee masa constituye la fuente de un campo gravitatorio que se extiende hacia delante en todas direcciones de una forma indefinida, decreciendo la intensidad del campo en proporción al cuadrado de la distancia desde la fuente.

La intensidad del campo es increíblemente pequeña en lo que se refiere a las partículas individuales, tan pequeñas que, para todos los intentos y propósitos, el campo puede ignorarse cuando se estudian las interacciones de las partículas. Sin embargo existe una clase de masa, y la interacción gravitatoria entre dos partículas parece siempre constituir una atracción.

Y lo que es más, donde un sistema consiste de muchas partículas, el campo gravitatorio, desde un punto fuera del sistema, parece ser la suma de todos los campos individuales de todas las partículas. Un objeto como el Sol o la Tierra se comporta como si tuviese un campo en la intensidad que cabría esperar, si el mismo consistiese de una partícula que contuviese toda la masa del cuerpo localizada en el centro de gravedad del mismo. (Esto es precisamente cierto sólo si el cuerpo es perfectamente esférico y de una densidad uniforme, o de una densidad variable donde las variaciones se extienden hacia fuera desde el centro en una exacta simetría esférica; y todo esto es casi verdad en objetos como el Sol o la Tierra.)

El resultado es que el Sol, y en menos extensión la Tierra, poseen campos gravitatorios de una enorme intensidad, y ambos pueden interactuar, atrayéndose mutuamente, y permanecer firmemente unidos incluso separados por una distancia de 150 millones de kilómetros. Los sistemas de galaxias pueden mantenerse unidos aunque estén esparcidos en unas distancias de millones de años-luz, y si el Universo , empieza a contraerse de nuevo, lo hará así a causa de la fuerza de la gravedad a través de una distancia de miles de millones de años-luz.

Cada partícula que posee una carga eléctrica es la fuente de un campo electromagnético que se extiende hacia delante en todas direcciones indefinidamente, decreciendo la intensidad del campo en proporción al cuadrado de la distancia a partir de la fuente. Cada partícula que posee tanto masa como carga eléctrica (y no existe carga eléctrica sin masa) constituye la fuente de ambos campos.

El campo electromagnético es varios billones de billones de billones de veces más intenso que el campo gravitatorio en el caso de cualquier partícula individual dada. Sin embargo, existen dos clases de carga eléctrica, positiva y negativa, y el campo electromagnético exhibe a un tiempo atracción y repulsión. Donde las dos clases de carga están presentes en números iguales, las cargas tienden a neutralizarse mutuamente y no está presente ningún campo electromagnético fuera del sistema. Así, los átomos intactos normales están constituidos a partes iguales de cargas positivas y negativas y, por lo tanto, son eléctricamente neutras.

Donde una carga u otra está presente en exceso, un campo electromagnético está presente, pero la atracción mutua de las cargas opuestas hace seguro que cualquier exceso presente en una dirección u otra es microscópicamente pequeña hasta el punto que los campos electromagnéticos donde están presentes no pueden compararse en intensidad con los campos gravitatorios de los cuerpos del tamaño de un gran asteroide o más allá. De este modo, Isaac Newton, que trató
sólo
con la interacción gravitatoria, pudo dar una explicación satisfactoria de los movimientos de los cuerpos del Sistema Solar, que se extendió para incluir los movimientos de las estrellas y de las galaxias.

La interacción electromagnética no puede, de todos modos, ignorarse y desempeña un papel en la formación del Sistema Solar, en la transferencia del momento angular desde el Sol a los planetas y, probablemente, en algunas de las intrigantes manifestaciones de los anillos de pequeñas partículas que giran en torno de Saturno, pero se trata de refinamientos comparativamente pequeños.

Cada hadrón (mesones y bariones y sus quarks constituyentes) es la fuente de un campo que se extiende hacia delante en todas direcciones de una forma indefinida, y la intensidad del campo decrece tan rápidamente con la distancia que no puede por sí misma ser útilmente notada a distancias mayores que el diámetro de un núcleo atómico. Un campo así, aunque en extremo importante dentro de un núcleo, o cualesquiera otras dos partículas veloces que se rozan mutuamente a distancias nucleares, puede ignorarse a grandes distancias. Un campo así no desempeña ningún papel en los movimientos generales de los cuerpos astronómicos, pero es importante, por ejemplo, en consideración a los acontecimientos en los núcleos de las estrellas.

Los leptones son también la fuente de un campo que sólo se siente a distancias nucleares. Asimismo, el ámbito de este campo es aún más corto que el campo del hadrón. No excluyen ambos campos nucleares, pero son muy diferentes no sólo en el tipo de partícula a la que están asociados, sino en sus intensidades. El campo del hadrón es, partícula por partícula, 137 veces más fuerte que el campo electromagnético. El campo del leptón es sólo una billonésima del campo electromagnético. El campo del hadrón, por lo tanto, es denominado usualmente como de
fuerte interacción
, y el campo del leptón como de
interacción débil
. (Recuérdese que la interacción débil, aunque débil en comparación con lo fuerte de la interacción electromagnética, es aún de 10.000 billones de billones de veces más potente que la interacción gravitatoria.)

Esas cuatro interacciones, por lo que sabemos hasta ahora, se refieren a la conducta de todas las partículas y, a través de las mismas, de toda la conducta medible de cualquier clase. (Naturalmente, decir que esas interacciones tienen que ver con toda la conducta medible no significa, ni con mucho, que podamos ya comprender toda la conducta medible. El hecho de que se pueda saber que una compleja ecuación matemática tenga solución, no significa que se pueda encontrar necesariamente la solución.)

La interacción débil fue primero abordada matemáticamente en 1934 por Fermi, pero durante las décadas siguientes continuó siendo la menos conocida de las cuatro interacciones. Por ejemplo, las cuatro interacciones deben intercambiar partículas por intermedio de las interacciones. Existe el fotón para las interacciones electromagnéticas, el gravitón para la interacción gravitatoria, el pión para la potente interacción al nivel protón-neutrón, y el gluón para la fuerte interacción al nivel del quark. Algunas de tales partículas, llamada
partícula-W
(naturalmente esa
W
es por la voz inglesa
weak
, es decir, «débil»), deben existir para la interacción débil; pero, durante medio siglo, esa partícula-W ha seguido mostrándose elusiva.

Existe asimismo la cuestión de las leyes de conservación que fijan las reglas por las que se puede juzgar qué interacciones de partículas son posibles y cuáles no y, por lo tanto, de una forma más general, qué puede suceder en el Universo y qué no puede ocurrir. Sin las leyes de conservación, los acontecimientos en el Universo serían anárquicos y del todo incomprensibles.

Los físicos nucleares manipulan hoy doce leyes de conservación más o menos. Algunas son leyes ya familiares de la Física decimonónica: conservación de la energía, conservación del momento, conservación del momento angular y conservación de la carga eléctrica. En cambio, otras leyes de conservación resultan menos familiares: conservación de la rareza, conservación del número barión, conservación del espín isotópico, etc.

Las interacciones fuertes parecen seguir todas estas leyes de conservación. Hacia principios de la década de 1950, los físicos dieron por supuesto que tales leyes eran universales e irrevocables. Pero no lo son, como se vio después. En el caso de interacciones débiles, se han violado algunas leyes de conservación.

La ley de conservación que sufrió mayor quebranto fue la «conservación de paridad». La paridad es una propiedad estrictamente matemática que no podemos describir en términos concretos; bástenos decir que la misma implica una función matemática relacionada con las ondas características de una partícula y su posición en el espacio. La paridad tiene dos valores posibles: «impares» y «pares». Tengamos presente esto: la clave de todo radica en que se ha conceptuado la paridad como una propiedad básica que, a semejanza de la energía o el momento, sigue las leyes de conservación, es decir, que en cualquier reacción o cambio se retiene la paridad. Así, pues, cuando las partículas emprenden interacciones para formar nuevas partículas, la paridad debe de mantener el equilibrio en ambos miembros de la ecuación —así se creía—, tal como lo hacen los números de masa, o los números atómicos, o el momento angular.

Ilustremos este punto. Si una partícula de paridad impar y otra de paridad par emprenden una interacción para formar dos partículas más, una de estas partículas debe tener paridad impar, y la otra, par. Si dos partículas de paridad impar forman dos nuevas partículas, éstas deben ser, a la vez, impares o pares. Y, a la inversa, si una partícula de paridad par se desintegra para formar dos partículas, ambas deben tener paridad par o impar. Si forma tres partículas, las tres tendrán paridad par, o bien tendrá una paridad par, y las otras dos, impar. (El lector verá esto con más claridad si considera que los números pares e impares siguen reglas similares. Por ejemplo, un número par sólo puede ser la suma de dos números pares o de dos impares, pero nunca de un número par y otro impar.)

Las complicaciones empezaron cuando se descubrió que el mesón K se desintegraba, a veces, en dos mesones pi (cuyo resultado era la paridad par, puesto que el mesón pi tiene paridad impar), mientras que otras veces daba origen a tres mesones pi (de lo cual resultaba una paridad impar). Los físicos dedujeron que había dos tipos de mesones K: uno, de paridad par, y otro, de paridad impar, que fueron denominados, respectivamente, «mesón theta» y «mesón tau».

Ahora bien, aparte el resultado de la paridad, ambos mesones eran idénticos: la misma masa, la misma carga, la misma estabilidad, todo lo mismo. Costaba mucho creer que hubiese dos partículas que tuvieran exactamente las mismas propiedades. ¿No serían ambas la misma partícula, y el hecho de considerarlas distintas se debería a que hubiese algo erróneo en la idea de la conservación de la paridad? Precisamente hicieron esta sugerencia en 1956, dos jóvenes físicos chinos que trabajan en Estados Unidos: Tsung Dao Li y Chen Ning Yang, los cuales adujeron que, si bien la conservación de la paridad se mantenía en las interacciones fuertes, quizá perdiera su vigencia en las débiles, tales como la decadencia de los mesones K.

Al analizar matemáticamente dicha posibilidad, les pareció que si quedaba anulada la conservación de la paridad, las partículas afectadas en interacciones débiles deberían mostrar «identificación manual», lo cual sugirió por primera vez el físico húngaro Eugene Wigner (fig. 7.9.). Permítaseme explicar esto.

Fig. 7.9. Imágenes asimétricas y simétricas de las manos tomando como referencia un espejo.

Nuestras manos están opuestas. Se puede considerar la una como imagen virtual de la otra: en un espejo, la derecha parece la izquierda. Si todas las manos fueran absolutamente simétricas, la imagen virtual no diferiría de la real y no habría que hacer la distinción de mano «derecha» y mano «izquierda». Pues bien, apliquemos esto a un grupo de partículas que emitan electrones. Si los electrones se dispersan uniformemente en todas direcciones, la partícula de referencia no mostrará «identificación manual». Pero si casi todos ellos tienden a seguir una dirección determinada —digamos hacia arriba y no hacia abajo—, la partícula será asimétrica, mostrará «identificación manual». Si viéramos las emisiones en un espejo, la dirección predominante aparecería invertida.