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Un abanico de partículas

¿Qué argumentos teóricos llevan a predecir la existencia de una partícula subatómica?

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN no es solo el acelerador de partículas más potente que existe, sino también el mayor experimento físico jamás construido. Con él, los físicos intentan estudiar las condiciones a las que se encontraba la materia poco después de la gran explosión. Para ello, hacen colisionar haces de partículas subatómicas llamadas hadrones (ya se trate de protones o de núcleos atómicos pesados) a energías muy elevadas. Es de esperar que tales experimentos aporten pistas sobre el origen de la masa de las partículas fundamentales. Uno de los objetivos del LHC es hallar el bosón de Higgs, cuya existencia fue propuesta hace casi cuarenta años. [Cortesía del CERN]

En síntesis

En numerosas ocasiones, los físicos han predicho la existencia de una partícula subatómica mucho tiempo antes de que esta fuese observada en los experimentos.

Los argumentos para ello han sido de lo más variados: desde la conservación del momento hasta las propiedades matemáticas de algunos espacios algebraicos abstractos.

La existencia de antimateria apareció como consecuencia de combinar las leyes de la mecánica cuántica con las de la teoría de la relatividad especial de Einstein.

El bosón de Higgs fue propuesto para reconciliar la masa de las partículas con la existencia de ciertas simetrías que implican la aparición de las interacciones.

La física teórica en el siglo XX se ha caracterizado por la detección de partículas cuya existencia había sido predicha con anterioridad; en ocasiones, con décadas de ante­lación. También nos hemos encontrado con toda suerte de partículas que nadie esperaba. En esta ocasión, sin embargo, nuestro interés se centrará en cinco partículas pertenecientes al primer grupo. En orden de modernidad creciente, nos referimos al neutrino, el mesón pi, el antiprotón, los quarks y, por último, el bosón de Higgs. Comencemos por el neutrino.

El 4 de diciembre de 1930, Wolfgang Pauli envió una carta a un grupo de físicos que asistían a un simposio en Tubinga. Tras dirigirse a ellos como «queridas damas y caballeros radiactivos», Pauli se disculpaba por no acudir a la conferencia. Bailarín y algo mujeriego, se justificó alegando que un baile le reclamaba en Zúrich. La carta constituye uno de los documentos más sorprendentes de la física del siglo XX.

A Pauli le preocupaba cierta anomalía observada en la desintegración beta. Años antes, el físico neozelandés Ernest Rutherford había llevado a cabo un extenso estudio sobre la radiactividad. Había identificado tres tipos de desintegraciones, a las que denominó alfa, beta y gamma. Algunos núcleos pesados, como los de plutonio, se desintegraban emitiendo una partícula alfa, o un núcleo de helio. Otros desprendían rayos gamma, o cuantos muy energéticos del campo electromagnético. Por último, había núcleos que producían una partícula beta: un electrón. Estos mostraban un comportamiento extraño.

La forma más obvia de imaginar el proceso consistía en suponer que un núcleo padre se transmutaba en un núcleo hijo y un electrón. Por tanto, como consecuencia de las leyes de conservación de la energía y el momento, todos los electrones emitidos de esa manera debían poseer la misma energía. Los datos experimentales, sin embargo, revelaban todo un abanico de energías. Tal era el rompecabezas que Niels Bohr llegó a proponer que la energía y el momento no se conservaban en la desintegración beta. Pauli, en cambio, opinaba que semejante propuesta carecía de sentido, por lo que propuso una explicación alternativa: sugirió que en la desintegración beta participaba una partícula invisible, la cual se llevaría parte de la energía y el momento. Esa partícula debía ser eléctricamente neutra y tenía que interaccionar muy débilmente con las demás. De esta manera, desaparecería de la escena sin dejar rastro.

Ignoro por completo cómo asimilaron las damas y los caballeros radiactivos semejante propuesta. Tampoco queda claro hasta qué punto el propio Pauli se la tomaba en serio, pues nunca llegó a publicarla. Pero Enrico Fermi, en Roma, sí le dio crédito. Ello le permitió formular la primera teoría sobre la desintegración beta. Pauli había denominado «neutrón» a la nueva partícula. En 1932, sin embargo, James Chadwick descubrió lo que hoy conocemos con ese nombre: el componente neutro de los núcleos atómicos. Además, en italiano neutrone significa «el gran neutro». Pero la nueva partícula, si existía, debía poseer una masa extremadamente pequeña. Así que Fermi decidió llamarla neutrino; es decir, «el pequeño neutro». El nombre cuajó.

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