El lado débil de la física (I): el inicio

El siglo XX fue el siglo de la mecánica cuántica en lo que a física se refiere. El 14 de diciembre de 1900, Max Planck presentó su concepto de “quanta”: pequeños paquetes de energía que conformaban la radiación electromagnética. Con estos pequeños cuantos, Planck solucionaba el problema de la catástrofe ultravioleta. Esta teoría no tuvo excesivo éxito hasta 1905, momento en el que apareció Einstein usando los cuantos para explicar el funcionamiento del efecto fotoeléctrico. Hubo que esperar más de una década para que la teoría de Planck se unificara definitivamente con el modelo atómico, gracias al modelo atómico de Bohr.

A medida que pasaron los años, el progreso de las nuevas teorías físicas que exploraban el átomo fue imparable. La historia que os voy a contar a continuación se la debemos, en sus inicios, a los primeros “hijos del quanta”: físicos que nacieron después de la presentación de Max Planck en 1900. Esta es la historia de la interacción débil, una historia en la que aparecerán grandes figuras de la física, dispositivos experimentales convertidos en monumentos, se unificarán fuerzas fundamentales e incluso conseguiremos interaccionar con algún neutrino despistado.

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Desintegración beta

Dibujo de Ernest Rutherford en el que muestra el comportamiento de las distintas radiaciones frente a un campo magnético.

Dibujo de Ernest Rutherford en el que se muestra el comportamiento de los distintos tipos de radiaciones frente a un campo magnético.

El final del siglo XIX y principios del XX también fue la época de la radiactividad. Figuras como Becquerel, el matrimonio Curie o Rutherford descubrieron muchos de los misterios de este fenómeno. Sin embargo había una forma de desintegración que se resistía: la desintegración beta.

La desintegración beta se produce cuando un neutrón se transforma en un protón, o viceversa, en el interior del núcleo atómico. En realidad lo que cambia es uno de los tres quarks que forman estas partículas. A principios del siglo XX, el quark era un tipo de queso y faltaban muchos años para descubrir las partículas a las que daba nombre. Lo único que conocían era que, bajo determinadas condiciones, había elementos que se transmutaban en otros a la vez que emitían un electrón.

Este díscolo electrón provocó que, durante bastantes años, la comunidad física pensara que el neutrón debía estar formado por la combinación de un protón y un electrón. Pero había algo que traía de cabeza a los físicos teóricos de la época: el electrón era despedido del núcleo a distintas energías con cada desintegración. Las teorías físicas involucradas indicaban que la energía debía ser siempre la misma, pero al electrón parece que esto no le importaba demasiado. El problema era muy importante, ya que dejaba en entredicho la ley de conservación de la energía.

Wolfgang Pauli

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Wolfgang Pauli dio con una solución bastante lógica y algo desesperada: propuso la existencia de otra partícula en el proceso de desintegración. La energía del electrón no era siempre igual porque se repartía con otra partícula de carga neutra, la cual era despedida del núcleo al mismo tiempo que el electrón. La carga neutra de esta partícula explicaba el hecho de que no se hubiera detectado nunca. Esta solución fue enviada mediante una carta a los participantes en una reunión en 1930 en Tübingen (Alemania), en la que se estaba tratando el problema. El neutrón de Pauli había nacido para salvar la ley de conservación de la energía.

Enrico Fermi

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Quien puso nombre definitivo a esta nueva partícula fue Enrico Fermi, que en una conferencia se refirió al neutrón de Pauli como un pequeño neutrón, que en italiano sería neutrino. Pero ponerle nombre a esta escurridiza partícula no es la razón por la que tenemos aquí a Fermi.

Enrico abordó el problema de la desintegración beta con su propio estilo. Veamos como definía Hans Bethe la forma de trabajar del italiano:

Lo que más me impresionó del método de Fermi para abordar la física teórica fue su simplicidad. Era capaz de analizar la parte esencial de cualquier problema, por muy complicado que pareciera. Lo despojaba de las complicaciones matemáticas y de formalismos innecesarios. De esta forma, a menudo en menos de media hora, podía resolver la parte principal de la física que implicaba el problema. Por supuesto no era una solución matemáticamente completa, pero cuando Fermi terminaba una de estas discusiones, estaba claro como debía procederse con la solución matemática.

Este método me impresionó especialmente porque venía de la escuela de Sommerfeld en Múnich, que realizaba todo su trabajo basándose en una solución matemática completa. Habiendo crecido en la escuela Sommerfeld, pensaba que el método a seguir era preparar una ecuación diferencial para el problema (normalmente la ecuación de Schrödinger), usar tus habilidades matemáticas para encontrar una solución lo más precisa y elegante posible, y entonces discutir sobre esta solución. En la discusión, podías encontrar las características cualitativas de la solución, y entonces comprender la física del problema. El método Sommerfeld era muy bueno cuando la física fundamental que rodeaba el problema era conocida, pero era muy laborioso. Podía tomar varios meses hasta conocer la respuesta al problema.

Era impresionante ver que Fermi no necesitaba realizar todo ese trabajo. La física aparecía clara mediante el análisis de la parte esencial del problema y unas cuantas estimaciones poco precisas. Su enfoque era pragmático[…]

Fermi era un buen matemático. Cuando era necesario, era capaz de elaborar las matemáticas del problema, pero en cualquier caso, primero quería estar seguro de que merecía la pena.

Fermi publicó su teoría sobre la desintegración beta en 1932. Lo que proponía era la conversión de un neutrón en un protón dentro del núcleo atómico. Al producirse esta transformación se emitían dos partículas: un electrón y un neutrino:

n -> p + e + ν

Uno de los puntos principales de esta teoría era la aparición del electrón y el neutrino en el momento justo de la desintegración. Fermi aceptó la idea de Majorana y Heisenberg sobre la inexistencia de ese electrón en el núcleo. Ocurría lo mismo que en el caso de la creación de un fotón: cuando un electrón cambia a un nivel de energía más bajo se libera la energía sobrante mediante un fotón, que hasta ese momento no existe. Del mismo modo, el electrón y el neutrino surgían al producirse el cambio de neutrón a protón.

Además la teoría también indicaba la posibilidad de que un protón se transformara en neutrón, previa absorción de un electrón y un neutrino. Al igual que un electrón puede absorber un fotón y pasar a una órbita más energética. Y aunque no fue dejado por escrito en primera instancia, barajó la posibilidad de que estas reacciones se dieran también mediante la generación y absorción de un par positrón-neutrino.

Fermi envió su teoría de la desintegración beta a la revista Nature, que la rechazó por ser demasiado especulativa. En cambio, fue publicada en varias revistas científicas italianas y alemanas. Nature acabó reconociendo que rechazar el artículo fue uno de los mayores errores que había cometido.

La teoría de Fermi funcionaba a baja energía con una precisión admirable y las predicciones encajaban con los experimentos en varios decimales. No obstante, había un problema: a medida que se aumentaba la energía la teoría fallaba y se obtenían probabilidades de choque entre partículas mayores que el 100%. Y lo que es peor, se obtenían valores infinitos para un posible segundo choque entre partículas. Aunque se intentaron hacer cambios en la teoría para evitar esos infinitos, el esfuerzo fue en balde y se tuvo que aceptar que la teoría era no renormalizable, una forma bonita de decir que no puedes librarte de esos infinitos.

¿Y qué tiene que ver todo esto de la desintegración beta con la interacción débil? Todo. La interacción débil es la fuerza que provoca este comportamiento del núcleo atómico. Pero no nos adelantemos, nos quedan muchos físicos teóricos que visitar, máquinas preciosas que examinar y grandes experimentadores que conocer. Nos vemos en el próximo capítulo, en el que viajaremos a la década de los 60 y tumbaremos un principio de conservación de la física.

Esta entrada participa en la XLVIII Edición del Carnaval de la Física, alojada en el blog de Daniel Martín Reina (@monzoneteLa Aventura de la Ciencia.

Más información

Francisco José Yndurain Muñoz. Electrones, neutrinos y quarks: La física de partículas ante el nuevo milenio. Drakontos Bolsillo.

George Gamow. The Great Physicists from Galileo to Einstein. Dover Publications.

Francesco Guerra and Nadia Robotti. Enrico Fermi’s Discovery of Neutron-Induced Artificial Radioactivity:The Influence of His Theory of Beta Decay. Physics in perspective, 2009.

Rutherford: La radiactividad y el descubrimiento del núcleo atómico.

James Chadwick y el descubrimiento del neutrón.

Historia de los métodos Monte Carlo, donde Enrico Fermi muestra otra de sus grandes habilidades a la hora de resolver problemas.

Si queréis más información sobre el descubrimiento del neutrino no os perdáis este artículo de Conexión Causal: El neutrino está de cumpleaños.

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Publicado el 9 enero, 2014 en El lado débil de la física y etiquetado en , , , , , , , , , , . Guarda el enlace permanente. 7 comentarios.

  1. Y me he tenido que leer ahora este para completar a los dos de la doble sesión. Ya sé que tendría que haber empezando por aquí…

    Si es que el bucle del conocimiento es infinito…

    🙂 🙂

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