El zoológico de partículas se amplía

A principios de la década de 1940, parecía que los físicos estaban entendiendo las partículas fundamentales y sus interacciones. Conocían los electrones, protones y neutrones, así como los neutrinos e incluso los positrones, las «antipartículas» de los electrones que Paul Dirac había predicho en la década de 1920. Comprendían que había fuerzas más allá de la gravedad y el electromagnetismo, las fuerzas nucleares fuerte y débil, y trabajaban para entenderlas mejor.

Pero los rompecabezas surgieron cuando aparecieron nuevas partículas inesperadas. Los físicos descubrieron los muones en los rayos cósmicos mediante un experimento de cámara de nubes en 1936. (El nombre «cámara de nubes» proviene del hecho de que las partículas cargadas eléctricamente que viajan a través del vapor de agua forman pequeñas estelas de nubes a su paso). Encontraron piones por medios similares en 1947.

Ese mismo año, Butler y Rochester anunciaron que habían encontrado partículas que llamaron V+ y V0. A partir de un conjunto de «bifurcaciones inusuales» en sus datos, dedujeron la existencia de dos partículas bastante masivas, una cargada positivamente y la otra neutra, que se habían dividido en otras partículas.

Las partículas tenían una serie de características curiosas. Por un lado, eran pesadas -alrededor de cinco veces la masa de un muón-, lo que condujo a otro enigma. Normalmente, las partículas más pesadas tienen una vida más corta, lo que significa que permanecen menos tiempo antes de descomponerse en otras partículas más ligeras. Pero a medida que los experimentos continuaban, los investigadores descubrieron que, a pesar de su peso, las partículas tenían una vida relativamente larga.

Otra característica extraña: Las partículas eran fáciles de fabricar, pero los físicos nunca parecían ser capaces de producir una sola de ellas a la vez. Si se juntaban un pión y un protón, por ejemplo, se podían crear las nuevas partículas, pero sólo en pares. Al mismo tiempo, podían decaer independientemente unas de otras.

Un extraño mundo nuevo

En la década de 1950, Murray Gell-Mann, Kazuo Nishijima, Abraham Pais y otros idearon una forma de explicar algunos de los curiosos comportamientos que presentaban los kaones y otras partículas recién descubiertas. La idea era que estas partículas tenían una propiedad llamada «extrañeza». Hoy en día, los físicos entienden la extrañeza como un número cuántico fundamental asociado a una partícula. Algunas partículas tienen extrañeza igual a cero, pero otras partículas podrían tener extrañeza igual a +1, -1, o en principio cualquier otro número entero.

Importantemente, la extrañeza tiene que permanecer constante cuando las partículas se producen a través de las fuerzas nucleares fuertes, pero no cuando se descomponen a través de las fuerzas nucleares débiles.

En el ejemplo anterior, en el que un pión y un protón colisionan, ambas partículas tienen extrañeza igual a 0. Es más, esa interacción está gobernada por la fuerza fuerte, por lo que la extrañeza de las partículas resultantes tiene que sumar también cero. Por ejemplo, los productos podrían incluir un kaón neutro, que tiene extrañeza 1, y una partícula lambda, que tiene extrañeza -1, lo que anula la extrañeza del kaón.

Eso explica por qué las partículas extrañas siempre aparecen en pares: la extrañeza de una partícula tiene que ser anulada por la de otra. El hecho de que se construyan a través de interacciones fuertes pero se desintegren a través de interacciones débiles, que tienden a tardar más en desarrollarse, explicaba los tiempos de desintegración relativamente largos.

Estas observaciones condujeron a varias ideas más fundamentales, dice Jonathan Rosner, físico teórico de la Universidad de Chicago. A medida que Gell-Mann y sus colegas desarrollaban su teoría, vieron que podían organizar grupos de partículas en racimos relacionados por la extrañeza y la carga eléctrica, un esquema conocido hoy en día como La Vía Óctuple. Los esfuerzos por explicar esta organización condujeron a la predicción de un conjunto subyacente de partículas: los quarks.

La parte larga y corta

Otra característica importante de la teoría de la extrañeza: Cuando los científicos descubrieron que los kaones extraños podían decaer en, por ejemplo, piones ordinarios, conjeturaron que la interacción nuclear débil, a diferencia de la interacción nuclear fuerte, no necesitaba mantener constante la extrañeza. Esta observación puso en marcha una serie de desarrollos teóricos y experimentales con los que los físicos siguen lidiando hoy en día.

A partir de las teorías que sugerían que el kaón neutro debería tener una antipartícula con extrañeza opuesta a la del kaón neutro estándar, Gell-Mann y Pais razonaron que el kaón neutro podría, a través de complejos procesos que implican interacciones débiles, transformarse en su propia antipartícula.

El esquema tiene una consecuencia significativa: Implica que hay dos nuevas partículas -en realidad, diferentes combinaciones del kaón neutro y su antipartícula- con diferentes tiempos de vida. K-long, como se llama ahora, dura de media unas 50 milmillonésimas de segundo, mientras que K-short dura algo menos de una décima de milmillonésima de segundo antes de romperse. La predicción de estas partículas fue uno de los resultados favoritos de Gell-Mann, dice Rosner, por la facilidad con que surgieron de la física cuántica básica.

Una simetría de la naturaleza, destronada

Una de las cosas importantes de K-long y K-short, al menos en la teoría de Gell-Mann y Pais, era que obedecían a algo llamado simetría CP. A grandes rasgos, la simetría CP dice que si uno cambiara cada partícula por su antipartícula y le diera la vuelta al espacio en una especie de universo espejo, las leyes de la física seguirían siendo las mismas. La simetría CP es válida en toda la física clásica, y fue la variante cuántica de la CP la que motivó a Gell-Mann y Pais. (Técnicamente, Gell-Mann y Pais fueron motivados originalmente sólo por la simetría C, pero tuvieron que actualizar su teoría una vez que los experimentos determinaron que las interacciones débiles violaban tanto la conjugación de cargas como la simetría de paridad, pero de tal manera que la propia CP parecía seguir siendo una buena simetría).

Irónicamente, un resultado motivado por la simetría CP condujo a su caída: En 1964, James Cronin, Val Fitch y colaboradores que trabajaban en el Laboratorio Nacional de Brookhaven descubrieron que el K-long podía -muy raramente- romperse en dos piones, una reacción que viola la simetría CP. Después de todo, las desintegraciones de kaones violaban la simetría CP.