Partículas Elementales CIENCIA

Categoria:

Ciencia

Introducción. Para describir la organización de la materia (v.) y energía (v.) macroscópicas, nuestra cotidiana experiencia no nos suministra otros conceptos que los de partícula y onda (v.); pero al intentar aplicar estas nociones a entes submicroscópicos, es bien sabida la dificultad de emplear por separado uno u otro concepto; los hechos obligan a hacerlo simultáneamente (dualismo corpúsculo-onda). La pregunta ¿se trata de una onda o es una p.?, en realidad no puede plantearse para aquellos entes, puesto que el lenguaje físico es incapaz de dar una cabal contestación; sólo podemos decir que, desde ciertos puntos de vista, se comporta como una onda y, desde otros, como una p. Desde luego, por tendencia innata consideramos a los componentes de la materia como p. y los de la radiación como ondas; pero la difracción (v.) de las primeras demuestra ineludiblemente su aspecto ondulatorio o su asociación con una onda, y las percusiones debidas a las segundas acusan claramente un efecto corpuscular. Ahora bien, en la formulación matemática de estos hechos no hay complicación alguna; pero si queremos expresarlos en palabras, hablar de esta fenomenología, es cuando sentimos las limitaciones innatas.

Inquirimos de la Naturaleza acerca de cuestiones del mundo submicroscópico, pero sólo podemos conseguir una respuesta a la altura de la experiencia humana (por no decir doméstica). Precisamente por tener que efectuar nuestras medidas cuando aquellos entes se nos aparecen, sea con carácter ondulatorio sea corpuscular, es cuando empieza a ser confusa la situación; y esta confusión se origina justamente por vernos forzados a emplear giros para describir tal situación, no siéndole aplicable fácilmente nuestro lenguaje. La Física, más que explicar o llegar a la naturaleza de las cosas, explica su comportamiento (v. MATERIA II, 1).

Ya empleada por Demócrito, la palabra átomo (v.) en nuestros días significa la menor p. en que puede subdividirse un elemento (v.) químico y encierra el concepto de indivisibilidad. Sabida es la complejidad de constitución del átomo, cuyos últimos constituyentes reciben el nombre de p. elementales.

Su descubrimiento y enumeración. La primera p. elemental, o sea, el electrón negativo, fue descubierto en 1897 por el célebre físico inglés sir I. Thomson como resultado de sus investigaciones sobre los rayos catódicos (V. ELECTRÓN). Por la misma época y en colaboración con sus discípulos, determinó aproximadamente la carga eléctrica +e de los iones positivos (v. IONIZACIÓN).

Ante el creciente número de nuevas p. descubiertas desde entonces (pasan del medio centenar, sin contar con sus correspondientes antipartículas (v.), y no parece que la lista se haya cerrado), cabe preguntarse si realmente todas ellas son elementales, es decir, sin estructura, y no reducibles a otras más sencillas, como ocurría hace cosa de un cuarto de siglo con el electrón, protón y fotón; y si en vez de hablar de la Física de las partículas elementales no sería preferible designarla como Física de las altas energías.

A partir de aquellas tres p. fundamentales, la Mecánica cuántica permitía comprender la estructura de los átomos y explicar sus propiedades químicas, recurriendo solamente a fuerzas conocidas desde antiguo gracias a experiencias macroscópicas, es decir, las fuerzas de gravitación y las electromagnéticas (v. MECÁNICA IV). Sin embargo, los problemas planteados desde entonces a causa de la elementalidad de las p. no han cesado de aumentar y de complicarse. En efecto, la teoría de Dirac (1930-31) predecía la existencia del antielectrón y del antiprotón, poseyendo la misma masa que las p. correspondientes pero con carga eléctrica de signo contrario; esta predicción fue rápidamente confirmada por el descubrimiento experimental del electrón positivo o positrón.

Por otra parte pronto se descubrió que ciertas propiedades de los núcleos (v.) atómicos eran incompatibles con la hipótesis de que estaban constituidos por protones y electrones ligados por las fuerzas electromagnéticas. Con el descubrimiento de una p. sin carga, el neutrón, se vio en seguida que éste venía a resolver aquellas dificultades si se le asociaba al protón, en vez del electrón, como constituyente de los núcleos atómicos. Pero, al mismo tiempo, había que renunciar a la posibilidad de explicar los fenómenos nucleares mediante las únicas fuerzas conocidas hasta entonces, como se había hecho para los átomos. Las características de las fuerzas nucleares resultaron, en efecto, muy diferentes de las de las fuerzas electromagnéticas; en particular, su cortísimo alcance (de unos 10-’3 cm.) explica que no hubieran podido ser puestas de manifiesto por medio de experiencias macroscópicas. Por consiguiente, aunque el número de p. consideradas como elementales hasta entonces fuera tan reducido, se desvanecía con ello el optimismo de los físicos, pues no siendo sensible el electrón a estas fuerzas nucleares, perdía todo sentido el carácter universal de las interacciones entre p. que, antes del descubrimiento del neutrón, parecía lógico esperar de la gravitación y del electromagnetismo.

Precisamente, apoyándose en el carácter microscópico de las fuerzas nucleares, Yukawa predijo la existencia de una nueva p., el mesotrón o mesón, mejor dicho, una triada de p. análogas, pero difiriendo por su carga eléctrica. La búsqueda experimental de estos mesones condujo primero al descubrimiento del muón tt, especie de electrón pesado muy diferente de los postulados por el físico japonés, que finalmente fueron descubiertos y denominados mesones 7r o piones. Con ello empeoraba la situación, pues no solamente se alargaba la lista de p., sino que el muón sobraba (todavía hoy su existencia continúa siendo un misterio inexplicable).

Paralelamente a estos hechos, el estudio sistemático de la radiactividad (v.) 0 (conocida desde hacía tiempo) condujo a Fermi a introducir una nueva especie de interacción débil, también microscópica. Por su parte, Pauli demostró que tal desintegración /3 podía explicarse simplemente, admitiendo la existencia de una nueva p., el neutrino v. Hubo de transcurrir largo tiempo antes de que fuera confirmada experimentalmente la realidad de la nueva p., que se ha visto son dos, dándosele a la segunda el nombre de neutretto.

Partículas extrañas. Y no acaba aquí la serie de descubrimientos, pues con la entrada en funcionamiento de los modernos y potentes aceleradores de p., se pusieron de manifiesto dos nuevos y nutridos grupos de las mismas, denominadas respectivamente partículas extrañas y resonancias.

Las p. extrañas reciben esta denominación a consecuencia de su comportamiento incomprensible a raíz de su descubrimiento. Especialmente el fenómeno fundamental que no se explicaba era el de la producción asociada: en el choque, p. ej., entre un pión y un protón, las nuevas p. mesón K y p. A no aparecían jamás solas sino asociadas y, al contrario, al desintegrarse estas últimas aparentemente no tienen necesidad la una de la otra y originan otras p. ya conocidas. Estas propiedades extrañas han requerido la introducción de un nuevo número cuántico (v. MECÁNICA CUÁNTICA), análogo a la carga eléctrica, denominado extrañeza o hipercarga. La producción asociada se explica entonces por el hecho de que las interacciones que la originan conservan la extrañeza del estado inicial. Siendo nula la del estado inicial (compuesto de un r y de un protón), es preciso que también lo sea la del estado final (como ocurre si se atribuye a las A y a las K las respectivas extrañezas -1 y + 1). Por el contrario las interacciones responsables de la desintegración de A y de K no conservan la extrañeza, y así, p. ej., la A puede escindirse en un protón y un 7r.

A propósito de las p. extrañas, haremos notar que ha sido preciso distanciarse todavía un poco más de la noción de interacción universal, que constituía uno de los principales atractivos de la teoría antes de 1920: no solamente existen diversas clases de interacciones, sino que no obedecen todas a las mismas leyes de conservación. Además, casi ni es necesario insistir en el hecho de que la concepción de las p. extrañas ha sido impuesta por la experiencia y nada hacía preverlas.

Todavía es más reciente el descubrimiento de las resonancias (realizado por Enrico Fermi y colaboradores en 1952 en Chicago) y todo induce a pensar que su número seguirá aumentando, como parece deducirse de las recientes publicaciones; desde luego, son numerosas las resonancias bien conocidas actualmente cuya existencia está fuera de toda duda. Se trata de estados extremadamente inestables, cuya duración o vida es muy breve para poderlas poner en evideñcia por detección directa, o fotografiar su trayectoria en una cámara de burbujas. Su existencia se prueba, pues, mediante medios indirectos.

Se hace realmente difícil vulgarizar los nuevos progresos conseguidos en estas cuestiones, previstos en la más reciente teoría del físico americano N. Gell-Mann e, independientemente, por Zweig. Bajo este punto de vista, se consigue una clasificación natural de las p. e. con interacción fuerte, admitiendo que están compuestas de tres tipos de entidades subnucleares hipotéticas (tripletes) verdaderamente fundamentales, denominadas quarks (y de sus correspondientes antiquarks), cuya carga eléctrica puede ser igual a uno o dos tercios de la del protón o del electrón; así, tres quarks constituyen un protón y tres antiquarks un antineutrón, etc., de acuerdo con ciertas reglas. Hasta ahora no existe prueba experimental alguna de la existencia de estos entes con carga fraccionaria de la de la unidad. Al Prof. L. I. Schiff se debe una ingeniosa teoría que explica que aunque existan los quarks, no es posible observarlos en estado libre y, por tanto, dicha teoría "daría cuenta del comportamiento de una partícula inobservable, gracias a otra también inobservable".

Repetimos que estos conceptos son aplicables únicamente a p. de interacción fuerte que han recibido el nombre genérico de hadrons. Existe un grupo menos numeroso de p. ligeras o leptones, en el que se incluyen el electrón, el muón, lbs dos neutrinos (desprovistos de carga y masa) y sus correspondientes antipartículas, que son las que intervienen en las interacciones débiles (que tienen lugar en las transmutaciones de otras p.), así como en las electromagnéticas. Precisamente los experimentos de precisión llevados a cabo con estas últimas han demostrado la vigencia de la electrodinámica cuántica entre límites muy precisos.

El conocimiento que hasta ahora se tiene de los leptones es más incompleto que el de los hadrones, siendo la enigmática masa del muón uno de los más inexplicables, puesto que en el mundo subnuclear se considera a la masa como expresión de la clase de interacciones en que interviene una p.; en efecto, aparte de su ingente masa, el muón manifiesta ser totalmente idéntico al clásico electrón.

V. t.: ÁTOMO;NÚCLEO;FÍSICA ATÓMICA;FíSICA NUCLEAR; MATERIA 11, 1-2; ANTIPARTÍCULAS; ELECTRÓN; FOTÓN.

J. BALTÁ ELÍAS.

BIBL.: CHENG NING YANG, Elementary Particles, Princeton 1962; A. A. SOKOLOww, Elementar -teilchen, Berlín 1965; BERNARD Dlu, Qu’est-ce que’une particule élémentaire, París 1965; F. GODED ECHEVARRíA, Teoría de Reactores y Elementos de Ingeniería Nuclear, I, Madrid 1965, 1 ; E. SEGRÉ, Núcleos y partículas, Barcelona 1972; y la Bibl. de los artículos a que se ha remitido.