La partícula divina (56 page)

La lectura de la estructura de quarks a partir de los experimentos de dispersión de electrones se pareció mucho a un monopolio de la Costa Oeste. Pero debo señalar que, al mismo tiempo, mi grupo obtuvo unos datos muy similares en Brookhaven. A veces hago la broma de que si Bjorken hubiese sido un teórico de la Costa Este, yo habría descubierto los quarks.

El contraste entre los dos experimentos del SLAC y de Brookhaven demostró que hay más de una forma de pelar un quark. En los dos experimentos la partícula blanco era un protón. Pero Taylor, Friedman y Kendall usaban electrones como sondas, y nosotros protones. En el SLAC enviaban los electrones hacia el interior de la «caja negra de la región de colisión» y medían los electrones que salían. También salían muchas otras cosas, como protones y piones, pero se las ignoraba.

En Brookhaven hacíamos que los protones chocasen con una pieza de uranio (en busca de los protones que había allí) y nos concentrábamos en los pares de muones que salían, que medíamos cuidadosamente. (Para los que no hayáis prestado atención, tanto los electrones como los muones son leptones con propiedades idénticas, sólo que el muón es doscientas veces más pesado.)

Dije antes que el experimento del SLAC era parecido al experimento de dispersión de Rutherford que descubrió el núcleo. Pero Rutherford hacía simplemente que las partículas alfa rebotasen en el núcleo y medía los ángulos. En el SLAC el proceso era más complicado. En el lenguaje del teórico y en la imagen mental que suscitan las matemáticas, el electrón entrante en la máquina del SLAC envía un fotón mensajero dentro de una caja negra. Si el fotón tiene las propiedades correctas, uno de los quarks puede absorberlo. Cuando el electrón arroja un fotón mensajero con éxito (uno que es comido), el electrón altera su energía y movimiento. Deja entonces el área de la caja negra, sale y él mismo es medido. En otras palabras, la energía del electrón saliente nos dice algo del fotón mensajero que arrojó, y, lo que es más importante, de lo que lo comió. El patrón de los fotones mensajeros podía interpretarse sólo como el resultado de su absorción por una subestructura puntual en el protón.

En el experimento del dimuón (así llamado porque produce dos muones) del Brookhaven, enviamos protones de alta energía dentro de la región de la caja negra. La energía del protón estimula que la caja negra emita un fotón mensajero. Este, antes de dejar la caja, se convierte en un muón y en su antimuón; estas dos partículas dejan la caja y se las mide. Esto nos dice algo acerca de las propiedades del fotón mensajero, como en el experimento del SLAC. Pero el experimento del par de muones no se comprendió teóricamente hasta 1972 y, en realidad, hicieron falta muchas otras demostraciones matemáticas sutiles antes de que se le diese una interpretación inequívoca.

La dieron Sidney Drell y su alumno Tung Mo Yun, de Stanford, lo que no sorprende; allí llevaban los quarks en la sangre. Su conclusión: el fotón que genera nuestro par de muones se genera cuando un quark del protón incidente choca con y aniquila un antiquark del blanco (o al revés). Se le llama usualmente el experimento Drell-Yan, aunque lo concebimos nosotros y Drell «sólo» dio con el modelo correcto.

Cuando Richard Feynman llamó a mi experimento del dimuón el «experimento de Drell-Yan» en un libro —seguramente estaba bromeando—, telefoneé a Drell y le dije que llamase a todos los que hubiesen comprado el libro y les pidiese que tachasen Drell y Yan en la página 47 y escribiesen Lederman. No me atreví a incordiar a Feynman. Drell accedió gustosamente, y la justicia triunfó. Desde esos días, se han efectuado experimentos de Drell, Yan y Lederman en todos los laboratorios, y han dado pruebas complementarias y confirmatorias de la manera detallada en que los quarks hacen protones y mesones. Aun así, los estudios del SLAC/Drell-Yan-Lederman no convirtieron a todos los físicos en creyentes en los quarks. Quedaba cierto escepticismo. En Brookhaven tuvimos una pista justo ante nuestros ojos que habría respondido a los escépticos si hubiésemos sabido lo que significaba.

En nuestro experimento de 1968, el primero de su tipo, examinamos la disminución regular de la producción de pares de muones a medida que aumentaba la masa de los fotones mensajeros. Un fotón mensajero puede tener una masa transitoria de un valor cualquiera, pero cuanto mayor sea, menos vivirá y más costará generarlo. Otra vez Heisenberg. Recordad: cuanto mayor sea la masa, menor será la región del espacio que se explora, así que veremos menos y menos sucesos (números de pares de muones) a medida que crezca la energía. Lo representamos en un gráfico. A lo largo de la parte inferior del gráfico, el eje x, mostramos masas cada vez mayores. En el eje y vertical, números de pares de muones. Así que deberíamos obtener un gráfico que se pareciese a este:

Deberíamos haber visto una línea que descendiese regularmente, lo que habría indicado que los pares de muones disminuyen sin cesar a medida que la energía de los fotones que salen de la caja negra aumenta. Pero en vez de eso obtuvimos algo parecido a:

Al nivel de una masa de unos 3 GeV, una «joroba», ahora llamada la joroba de Lederman, interrumpía esa disminución regular. Una joroba o chichón en un gráfico indica un suceso inesperado, algo que no se puede explicar sólo con los fotones mensajeros, algo que está sobre los sucesos de Drell-Yan. No comunicamos que esta joroba fuese una nueva partícula. Fue el primer descubrimiento que, claramente, se nos escapó y que podría haber establecido de una vez por todas la realidad de la hipótesis de los quarks.

Dicho sea de paso, nuestros lamentos por haber dejado escapar el descubrimiento de estructuras puntuales en el protón, descubrimiento que por decreto sueco recayó en Friedman, Kendall y Taylor, son lamentos de pega. Hasta Bjorken podría no haber penetrado en 1968 en las sutilezas que rodean el relacionar los dimuones de Brookhaven con los quarks. El experimento del dimuón es, echando la vista atrás, mi favorito. La idea fue original e imaginativa. Desde un punto de vista técnico era infantilmente simple, tanto, que se me escapó el descubrimiento de la década. Los datos tenían tres componentes: la prueba de Drell-Yan de las estructuras puntuales, la prueba del concepto de «color» en sus porcentajes absolutos (se comentará luego) y el descubrimiento del
J/psi
(ahora mismo lo haremos), cada uno de ellos con categoría de Nobel. ¡La Real Academia Sueca se podría haber ahorrado al menos dos premios si lo hubiésemos hecho bien!

Dos experimentos que comenzaron en 1972 y 1973 y que cambiarían la física. Uno se efectuó en Brookhaven, un viejo campo del ejército entre pinos enanos y arena, a sólo unos diez minutos de unas de las más bellas playas del mundo, en la costa sur de Long Island, adonde van a parar las grandes olas atlánticas que vienen directamente de París. El otro sitio fue el SLAC, en las colinas pardas sobre el campus de estilo español de la Universidad de Stanford. Los dos experimentos fueron excursiones de pesca. Ni uno ni otro tenían un motivo claro que los guiase, pero ambos atronarían juntos al mundo en noviembre de 1974. Los acontecimientos de finales de 1974 han quedado en la historia de la física con el nombre de Revolución de Noviembre. Se habla de ellos junto al fuego dondequiera que unos físicos se reúnan a hablar de los viejos tiempos y de los grandes héroes y se beba un poco de Perrier. La prehistoria es la idea casi religiosa de los teóricos de que la naturaleza tiene que ser hermosa, simétrica.

Hemos de decir antes que nada que la hipótesis de los quarks no amenaza la categoría de partícula elemental, de
á-tomo
, del electrón. Ahora había dos clases de á-tomos puntuales: los quarks y los leptones. El electrón, como el muón y el neutrino, es un leptón. Eso habría estado muy bien, pero Schwartz, Steinberger y Lederman habían liado la simetría con el experimento de los dos neutrinos. Ahora teníamos cuatro leptones (el electrón, el neutrino electrónico, el muón y el neutrino muónico) y sólo tres quarks (el
up
, el
down
y el
extraño
). Una tabla de 1972 se podría haber parecido a esta en la notación física abreviada:

¡Ajj! Bueno, no habríais hecho una tabla como esa porque no habría tenido mucho sentido. Los leptones hacen, dos a dos, un buen patrón, pero el sector de los quarks era en comparación feo, con su terna, cuando los teóricos se habían desilusionado ya con el número 3.

Los teóricos Sheldon Glashow y Bjorken habían observado más o menos (en 1964) que sería sencillamente encantador si hubiera un cuarto quark. Ello restauraría la simetría entre los quarks y los leptones, que había destruido nuestro descubrimiento del neutrino muónico, el cuarto leptón. En 1970 una razón teórica más convincente para sospechar que existía un cuarto quark apareció en un complicado pero hermoso argumento de Glashow y sus colaboradores, que convirtió a Glashow en un apasionado defensor de los quarks. Shelly, como le llaman sus admiradores y sus enemigos, ha escrito unos cuantos libros que demuestran lo apasionado que puede llegar a ser. Shelly, uno de los principales arquitectos de nuestro modelo estándar, es muy apreciado por sus historias, sus puros y sus comentarios críticos sobre las tendencias teóricas al uso.

Glashow se convirtió en un activo propagandista de la invención teórica de un cuarto quark, al que, ni que decir tiene, llamó
encanto
. Viajó de seminario en cursillo y de cursillo en congreso insistiendo en que los experimentadores buscasen un quark encantado. Su idea era que este nuevo quark y una nueva simetría en la que los quarks también estuviesen agrupados en pares —
up
/
down
y
encanto
/
extraño
— curaría muchos rasgos patológicos (doctor, ahí es donde duele) de la teoría de la interacción débil. Servirían, por ejemplo, para anular ciertas reacciones que no se habían visto pero que sí se habían predicho. Poco a poco se fue haciendo con partidarios, al menos entre los teóricos. En el verano de 1974 escribieron un artículo de repaso, «La búsqueda del encanto», los teóricos Mary Gaillard (una de las trágicamente pocas mujeres que hay en la física y uno de los teóricos más destacados, del sexo que sean), Ben Lee y Jon Rosner, un artículo germinal que fue especialmente instructivo para los experimentadores; les señalaba que cabría producir ese quark, llamadlo
c
, y su antipartícula
c
, o
c-barra
, en la caja negra de la colisión y que saliese en la forma de un mesón neutro en el que
c
y
c
estarían ligados. Hasta proponían que los viejos datos de los pares de muones que mi grupo había tomado en Brookhaven podrían ser una prueba de la desintegración de un
c
c
en dos muones, y que esa podría ser la interpretación de la joroba de Lederman que había cerca de los 3 GeV. Es decir, 3 GeV era presuntamente la masa del tal
c
c
.

Pero todavía eran sólo palabras de teóricos. Otras historias que se han publicado de la Revolución de Noviembre han dado a entender que los experimentadores que tomaron parte en ella sudaron la gota gorda por verificar las ideas de los teóricos. Fantasías. Fueron de pesca. En el caso de los físicos de Brookhaven, fueron «a la caza del chichón», en busca de marcas en los datos que indicasen alguna física nueva, algo que tumbase a la carta ganadora, no que la respetase.

En los días en que Glashow, Gaillard y otros hablaban del encanto, la física experimental tenía sus propios problemas. Por entonces se reconocía abiertamente la competición entre los colisionadores de electrones y positrones (
e
⁻
,
e
⁺
) y los aceleradores de protones. «Los de los leptones» y «los de los hadrones» mantenían un encendido debate. Los electrones no habían hecho gran cosa. Pero ¡tendríais que haber oído la propaganda! Como se piensa que los electrones son puntos sin estructura, ofrecen un estado inicial limpio: un
e
⁻
(electrón) y un
e
⁺
(positrón, la antipartícula del electrón) se encaminan uno hacia el otro en el dominio de colisión de la caja negra. Limpio, simple. El paso inicial, resaltaba el modelo, es aquí la generación, por el choque de la partícula y la antipartícula, de un fotón mensajero de energía igual a la suma de las dos partículas.