Las Partidas de Nacimiento de las Partículas Elementales

Symmetry, una revista impresa y electrónica, sobre la física de partículas y sus conexiones con otros aspectos de la vida y la ciencia, , ha tenido la iniciativa de recolectar los documentos o medios que comprueban la paternidad de algunos de los descubrimientos más importantes relacionados con las Partículas Elementales.

Su valor histórico es innegable, más aún por lo que traslucen. Cuando Pauly postuló la existencia de lo que después conoceríamos como neutrinos, recurrió inicialmente a un grupo de físicos experimentales:"Thus, dear radioactive ones, scrutinize and judge". La vieja pizarra, tiza blanca y borrador incluido, es un verdadero legado a la memoria de científicos y académicos de Wiegand, al igual que la libreta que utiliza Ikawa del Departamento de Física de la Universidad para el borrador de su artículo.

1930. Postulación del Neutrino. Wolfgang Pauli

Para preservar la Ley de la Conservación de la Energía, tuvo que postular la existencia de alguna partícula, neutra, de bajo peso, para explicar la desaparición de la energía en el choque de dos nucleos atómicos. En aquel momento, Pauli la llamó "neutrons". Cuando en 1932 JamesChadwick descubrió una partícula neutra, recibió ese mismo nombre. Sin embargo, debido a su peso, no podía ser la partícula predicha por Pauli. Cuando Enrico Fermi desarrolla  una teoría sobre la interaccion debil de partículas, ntroduce un nuevo nombre para la partícula de Pauli: "neutrino":“little neutral one"

La carta fue enviada el 4 de diciembre de 1930 a un grupo de físicos nucleares que se reunían en Tübingen, Alemania. El documento fue obtenido gracias  a Lise Meitner,un científico que asistió a la reunión. El documento fue publicado por Symmetry en la edición de marzo del 2007.

Copia del documento original

Copia del documento traducido al inglés

1934. Fuerza Nuclear. Postulación del Mesón. Hideki Yukawa

El 1 de noviembre de 1934, Hideki Yukawa, profesor asistente en la Universidad de Osaka, comenzó a escribir el primer borrador de un artículo que le ganó el 1949 Premio Nobel de Física, explicando la fuerza que mantiene unidos los protones y los neutrones, que forman los núcleos atómicos.  Utilizó la teoría del campo cuántico de los electrones y los fotones como punto de partida. Yukawa propuso la existencia de una nueva partíla subatómica con peso mayor al electrón pero menor al del protón, después conocida como mesón  (del griego "mesos", medio), que media la fuerza nuclear fuerte, dentro del núcleo, entre  protones y neutrones.

El artículo fue publicado finalmente en "Proceedings of Physico-Mathematical Society of Japan", prediciendo rayos cósmicos con suficiente energia para producir una nueva partícula fuera del núcleo. En 1947, Cecil Frank Powell y su grupo de la University of Bristol encuentra el "pi meson" o "pion", una particula 270 veces menos que el electrón. En 1949, se convierte en el primer japonés en recibir el Premio Nobel. En 1950 lo obtiene Powell.

1955. Descubrimiento del Anti-Protón. Lawrence Berkeley National Laboratory

En 1954, en el Lawrence Berkeley National Laboratory, fue encendido el Bevatron, un acelerador construido con el propósito de descubrir el Antiprotón. Dos equipos de investigadores se organizaron para, por experimentos diferentes, encontrar al antiprotón. Dirigidos por Emilio Segre, los investigadores Owen Chamberlain y Clyde Wiegand tratan de identificar los antiprotones mediante la determinación de las masas y cargas de las partículas producidas por golpear los protones en un blanco fijo. Un segundo grupo, dirigido por Gerson Goldhaber en Berkeley y Edoardo Amaldi en Italia, registraría las colisiones en las emulsiones fotográficas y buscaría las explosiones de energía en forma de estrella se espera de la aniquilación protón-antiprotón.

Wiegand, uno de los investigadores, colocó una pizarra, cerca de la entrada de Bevatron,´para mostrar el progreso de su grupo. A las 4.30 p.m., del 6 de octubre de 1955, el grupo había encontrado 38 partículas negativas con la misma masa que el protón. Habian revisado 2 millones de eventos de partículas. Wiegand, seguidor del beisbol, agregó el rsultado de la Serie Mundial de ese año: New York Yankees y  Brooklyn Dodgers (4-3)

1976. Descubrimiento del Bottom Quark. John Yoh

El 17 de noviembre de 1976,  John Yoh, un investigador del experimento E288 del Columbia-Fermilab-Stony Brook  (Fermilab experiment E288). propuso la eistencia de una nueva partícula de una  masa de  9.5 GeV.Unos meses antes, se había anunciado, en la  Physical Review Letter, la existencia del "Upsilon" (Υ), aun a manera de fluctuación estadística, de masa de 6 GeV, desvaneciendose con mayor cantidad de datos.

En 1977, el Upsilón 9.5 resultó real. Resultó que era el Bottom Quark

Si desea revisar otros documentos puede hacerlo aquí

Symmetry es  producto de la colaboración del Fermi National Accelerator Laboratory y el SLAC National Accelerator Laboratory, ambos laboratorios nacionales financiados por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos,

Neu...???

Measuring elusive neutrinos flowing through the Earth, physicists learn more about the sun

Using one of the most sensitive neutrino detectors on the planet, an international team including physicists Laura Cadonati and Andrea Pocar at the University of Massachusetts Amherst are now measuring the flow of solar neutrinos reaching earth more precisely than ever before. The detector probes matter at the most fundamental level and provides a powerful tool for directly observing the sun's composition.

Del neutrino y de cómo solo conocemos un 4%

Aunque solo pocos comprendieron sus consecuencias, por aquello que la mayoría difícilmente apenas nos sabemos newtonianos como para celebrar un traspié cuántico, ese día poco importó tanta laguna acumulada. La velocidad de la luz había sido vencida, en 60 nanosegundos, destacaron los titulares, por los “neutrinos” ¿Los quiénes?

Eso me llevó a recordar a uno de mis profesores en filosofía de la naturaleza que por entonces se quejaba de tantas nuevas partículas elementales, es decir, aquellas que no están constituidas por otras más pequeñas. “¡Vaya! ¿Esto nunca terminará?”, se preguntaba. Hoy, algunos reportan la existencia de 56 de ellas. Tres, son neutrinos. Tienen masa pero muy poquita. Casi no interactúan con otras partículas y, con record o sin él, viajan, siempre, muy próximas a la velocidad de la luz. ¿Pero entonces, que pasó con la materia producto de átomos integrados por protones, neutrones y electrones, las únicas partículas elementales que aprendí en la secundaria?

La historia inicia 25 siglos atrás, en la vieja Grecia, con Leucipo y Demócrito, los primeros atomistas, que postularon un modelo donde el átomo era el único constituyente, impenetrable e indivisible de la materia. Hasta inicios del siglo XIX ese fue un supuesto filosófico. Todo cambió en 1808 cuando, gracias a la química, se contrastó experimentalmente su existencia. De 1897 a 1931 se descubre el electrón y sus órbitas estables, alrededor de un núcleo integrado por protones y neutrones, acabando así con la impenetrabilidad e indivisibilidad del átomo.

Desde los años setenta del siglo XX se inicia una carrera frenética de científicos descubriendo partículas aún más elementales que las subatómicas, los neutrinos por ejemplo. No era gratuito el revuelo de mi profesor universitario, más aún porque si en el pasado era legítima la identidad entre materia, átomos y partículas subatómicas, aquello había dejado de ser posible porque no todas las partículas elementales se mezclaban unas con otras y porque no todas las que se mezclaban se transformaban en átomos. Como los neutrinos.

Sin embargo, al finalizar la primera década del siglo XX, el orden fue restablecido mediante el llamado “Modelo Estándar” que establece que en el nivel más elemental toda la materia que conocemos “consta de solo un puñado de partículas fundamentales y cuatro fuerzas actuando entre ellas”. De acuerdo al “Proyecto Beacons of Discovery” del “International Committee for Future Accelerators”, esa imagen es “sencilla y elegante”.

El puñado de partículas son doce, conocidas como “fermiones”, divididos en dos grupos: “quarks” y “leptones”. Existen 6 quarks y 6 leptones El átomo sigue ahí, tan campante como siempre, aunque ya no como el viejo soberano y muy disminuida la antigua realeza de su corte subatómica. En el modelo vigente, solo cuando se combinan dos “quarks de tipo abajo” y un “quark de tipo arriba” se conforma un neutrón. Cuando lo hacen dos “quark arriba” y un “quark abajo” se genera un protón. El electrón es un tipo específico de leptón. Cuando todo eso se une, ya lo sabemos, se produce un átomo. Eso es lo que se aprende hoy, supongo, en secundaria.

E igual que siempre, cuando un átomo se une con otros termina en la “materia”, tal cual la vivimos todos los días. El carro, la bicicleta, el escritorio, el cuerpo humano, las flores. Sin embargo, los científicos han empezado a utilizar el concepto de “materia ordinaria” para distinguirla del resto de partículas elementales que no conducen a ella, como los tres neutrinos. No es poca cosa la distinción.

La “materia ordinaria”, la integrada por átomos, representa solo el 4% de los constituyentes del universo, donde el 96% restante son energía (73%) y materia (23%) oscuras, de las que no sabemos casi nada.

Es bueno que el neutrino haya tenido su día de gloria. No tanto por su presunto record de velocidad que puede que no lo sea. Más bien por lo que aun tiene que decirnos, por ejemplo, con relación al origen del universo o con la aceleración de su expansión o con aquel 96% que existe pero que no es “materia ordinaria”. Total, como Einstein escribió: "knowledge is limited. Imagination encircles the world".