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El lado débil de la física (II): rompiendo la paridad

Hay una premisa que siempre se cumple antes de exclamar “¡eureka!”. En primer lugar debe existir un “qué curioso“, que lleve al científico a buscar la explicación que provocará el conocimiento. A mediados del siglo XX, uno de los “qué curioso más importante era el enigma Tau-Theta.

En la anterior entrega vimos cómo Fermi había propuesto una teoría de la interacción débil, pero que solo funcionaba bien en primeras aproximaciones. En esta entrega vamos a conocer los pasos que se dieron antes de  llegar a una nueva teoría para la interacción débil.

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El enigma Tau-Theta

Era el inicio de la década de los 50, cada vez se tenían más resultados de estudios de los rayos cósmicos y dos nuevas partículas habían aparecido en el escenario: Tau y Theta. Estas partículas se descubrieron por el resultado de sus desintegraciones, que era el siguiente:

desintegraciones

En primer lugar está la desintegración de la partícula Theta, que se desintegraba en dos piones y en segundo lugar la de Tau, que lo hacía en tres. Sin embargo, otros datos obtenidos para estas partículas indicaban que tenían una misma masa y un mismo tiempo de vida medio. Cuando dos partículas coinciden en estos dos parámetros, lo lógico es pensar que se trata de la misma partícula. Entonces… ¿por qué se identificaban como dos partículas distintas?

La respuesta a esta pregunta la encontramos en una ley de conservación. A los físicos les encantan las magnitudes que se conservan. Las leyes de conservación del momento lineal, del momento angular y de la energía son las herramientas más poderosas de las que dispone un físico para estudiar la naturaleza y, en física de partículas, cobran un papel determinante. En aquella época había otra magnitud cuya conservación se cumplía en toda la física de partículas: la paridad.

En el caso de las partículas Tau y Theta, los resultados de su desintegración tenían distinta paridad (+1 y -1 respectivamente).

Los comportamientos distintos cuando nos movemos “al otro lado del espejo” son comunes, como ocurre con la quiralidad. Si habéis estudiado química sabréis que dos moléculas que se diferencian por ser una imagen especular una de la otra, pueden tener propiedades muy diferentes. Y si no habéis estudiado química, aquí tenéis a Daniel Torregrosa recuperando un vídeo magnífico de Breaking Bad en el que Walter White lo explica de manera magistral:

Pero en el mundo cuántico se había demostrado que la paridad se conservaba en la interacción electromagnética y en la interacción fuerte, así que se suponía que en la interacción débil también debía ser así.


Rompiendo la paridad

Martin Block, un experimentador, una noche me dijo:

–¿Por qué están todos insistiendo tanto en el principio de paridad? A lo mejor, la partícula tau y la theta son la misma partícula. ¿Qué pasaría si el principio de paridad fuera falso?

Estuve pensando un momento y dije:

–Ello implicaría que las leyes de la naturaleza serían diferentes para las manos derecha e izquierda, y que habría una forma de definir la orientación de las manos derecha e izquierda por medio de fenómenos físicos. No veo que eso sea tan terrible. Seguro que en algún sitio ha de tener malas consecuencias; pero no lo sé. ¿Por qué no les preguntas mañana a los especialistas?

–No, a mí no me escucharían. Pregúntales tú –me dijo.

Extracto de ¿Está usted de broma, Sr Feynman?

Y dicho y hecho, Richard Feynman se levantó en la reunión del día siguiente y lanzó la pregunta, indicando que lo hacía en nombre de Martin Block. No era una reunión cualquiera, en la sala se encontraban científicos de la importancia de Oppenheimer y Gell-Mann. Además en la sala se encontraban unos jóvenes investigadores chinos, Lee y Yang, que según Feynman contestaron con “algo complicado, que como de constumbre no entendí muy bien”. Lo que si pudo entrever Feynman de la respuesta de Lee, es que la conservación de la paridad todavía era una cuestión no resuelta.

La pieza que se necesitaba para completar el puzle de las partículas tau y theta era la ruptura de la paridad, pero se trataba de un tema prácticamente tabú dentro de la comunidad científica. Lee y Yang decidieron que era hora de cortar definitivamente el nudo gordiano del enigma tau-theta y presentaron el artículo Question of Parity Conservation in Weak Interactions.

Datos experimentales recientes indican una masa y tiempo de vida prácticamente iguales de los mesones Tau y Theta. Por otro lado, análisis de los productos de desintegración de Tau sugieren que, basándose en la conservación del momento angular y de la paridad, Tau y Theta no son la misma partícula. Este hecho plantea una situación muy desconcertante que ha sido ampliamente discutida.

Una forma de evitar esta dificultad es asumir que la paridad no se conserva, por lo que Tau y Theta serían dos modos diferentes de desintegración de la misma partícula, que necesariamente tendría un único valor para su masa y tiempo de vida. En este artículo nos gustaría analizar esta posibilidad ante el panorama de la evidencias experimentales existentes a favor de la conservación de la paridad. Es fácil ver que existen experimentos que indican la conservación de la paridad en las interacciones electromagnética y fuerte con un gran nivel de exactitud, pero para la interacción débil la conservación de la paridad es solo una hipótesis extrapolada y no apoyada por evidencia experimental (incluso se podría decir que el enigma Tau-Theta es una indicación de que la conservación de la paridad se viola en interacciones débiles. Este razonamiento, en cualquier caso, no puede tomarse en serio debido a la escasez de nuestro conocimiento actual respecto a las partículas extrañas, pero nos incentiva al estudio de esta cuestión.). Para determinar de forma inequívoca si la paridad se conserva en interacciones débiles, debe realizarse un experimento que determine si las interacciones débiles diferencian la derecha de la izquierda. Algunos de estos posibles experimentos serán tratados en este artículo.

Traducción propia de un extracto de Question of Parity Conservation in Weak Interactions.

Lee y Yang eran físicos teóricos, por lo que necesitaban a un físico experimental con la capacidad suficiente para llevar a cabo alguno de los experimentos que habían propuesto. Por suerte, Lee conocía a Chieng-Shiung Wu, una de las mejores físicas experimentales del momento y Lee la convenció para iniciar esta aventura.

Hace unas semanas pedí a Laura Morrón que me ayudará para hacer algo especial con Wu. Siempre me han encantado sus biografías de mujeres científicas y era la oportunidad perfecta para complementar este artículo. De esta colaboración entre Los Mundos de Brana y El zombi de Schrödinger surgió esta magnífica biografía de Madame Wu, cuya segunda parte se publica a la vez que este artículo:

Chien- Shiung Wu, la gran física experimental (I): Primeras conquistas.

Chien- Shiung Wu, la gran física experimental (II): Al otro lado del espejo.

El experimento

El experimento que decidió realizar Wu en 1956 fue la medida de la asimetría bajo paridad de las desintegraciones beta del Cobalto-60. Para ello tuvo que trasladarse al National Bureau of Standards (conocido ahora como NIST), donde se encontraban los profesionales y el equipo necesario para trabajar a temperaturas cercanas al cero absoluto. Esto era necesario ya que el experimento trataba de medir las desintegraciones del Cobalto-60 para distintas direcciones en su rotación. Por ello, el Cobalto-60 se situaba en unos cristales especiales paramagnéticos, que se llevaban a temperaturas cercanas al cero absoluto, para luego aplicar un pequeño campo magnético. Con esto se conseguía que la mayor parte de los átomos de Cobalto-60 tuvieran un eje de giro paralelo al campo magnético.

El proceso era sumamente complejo: el cristal con los átomos de Cobalto-60 tenía que ser magnetizado y desmagnetizado en sucesivas etapas, para llegar al nivel de magnetización deseado, y se debía evacuar el calor producido en el proceso. Además, el aparato contador tuvo que situarse muy cerca de la muestra para evitar errores.

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Dispositivo experimental usado por Wu y sus colegas.

El experimento se realizaba primero para dotar al Cobalto-60 de un eje de rotación y posteriormente para dotarlo del opuesto, con la idea de medir diferencias en los resultados de desintegración de este átomo. Los resultados fueron claros, la paridad no se conservaba.

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Hoja de cuaderno de Ernest Ambler, uno de los colaborades en el experimento de Wu, en la que acaba escribiendo una nota al principio de la misma indicando el descubrimiento: PARITY NOT CONSERVED!

En 1957, Lee y Yang recibieron el premio Nobel por su artículo sobre la ruptura de la paridad en la interacción débil. Wu no fue galardonada. Algunos autores indican que esto se debió a que cualquier físico experimental de cierto nivel podría haber hecho el experimento una vez publicado el artículo de Lee y Yang. Paparruchas, se han dado premios Nobel por mucho menos que por lo que hizo Wu. No fue la primera ni la última vez que en los premios Nobel se metió la pata hasta el fondo.

Una nueva teoría

La confirmación de Wu fue el pistoletazo de salida para algunos de los físicos más importantes del momento. Se trataba de explicar por qué se producía esa ruptura de la paridad, ¿qué tenía de especial la interacción débil?

Durante la conferencia, me alojé en casa de mi hermana, en Syracuse. Me llevé el artículo a casa y le dije:

–No entiendo estas cosas que dicen Lee y Yang. Todo es muy complicado.

–No –respondió ella–. No es que no lo puedas entender, sino que no lo has inventado tú. No está hecho por ti y a tu manera. Lo que tienes que hacer es imaginarte que eres otra vez estudiante, llevarte el artículo a tu cuarto, leer todas y cada una de las líneas y comprobar las ecuaciones. Entonces lo entenderás muy fácilmente.

Extracto de ¿Está usted de broma, Sr Feynman?

Por suerte, el momento de duda de Feynman duró poco. Leyendo el artículo, Feynman se acordó de un trabajo que había hecho hacía años sobre ecuaciones de asimetría lateral. Ahora todo le resultaba claro. Rápidamente esbozó una teoría que mejoraba los resultados de la que Lee y Yang habían creado para explicar la ruptura de la paridad, aunque todavía faltaba una pieza por encajar.

Tras una temporada tocando los bongos en Brasil, Feynman volvió a Caltech, donde preguntó a un grupo de físicos experimentales si había alguna novedad. Jensen, Wapstra y Boehm lo sentaron en un taburete y le relataron todos los resultados experimentales que se habían producido hasta la fecha. Finalmente hubo un comentario: “Murray (Gell-Mann) dice que la descomposición Beta del neutrón podría no ser S y T, podría ser  V y A.

¿Y qué es eso de V-A? 

La densidad de energía de la interacción débil entre un electrón y un antineutrino sería:E_{int;W} = \vec{j}_W \vec{j(-)}_W Lo que se propuso es que cada uno de estos vectores eran de la forma:

\vec{j}_W = \vec{v} - \vec{a}

donde v es de tipo vectorial y a es vectorial axial. ¿Y qué es algo de tipo vectorial axial? Pues por ejemplo el producto vectorial. ¿Os acordáis de la regla de la mano derecha?

En el producto vectorial la dirección del vector resultante se obtiene aplicando la regla de la mano derecha imaginando que rotamos el vector A para juntarlo con B. Y una de nuestras manos es siempre el mejor ejemplo que podemos usar para explicar la paridad.

Aquí tenéis el resultado de un producto vectorial frente al espejo

frente al espejo

Para llevarnos un vector “al otro lado del espejo” lo que hacemos es multiplicar todas sus coordenadas por (-1). Aquí tenéis el resultado del producto vectorial cuando nos llevamos los vectores U y V al otro lado del espejo:

tras el espejo

Obtenemos el mismo vector producto vectorial que en el primer caso. Parece lógico, ya que el producto vectorial es al fin y al cabo un producto y menos por menos es más. Así que tenemos un tipo de vectores que al pasar al otro lado del espejo se comportan de manera diferente. Justo lo que necesitaban los físicos para explicar el comportamiento anómalo de los resultados de las desintegraciones beta respecto a la paridad.

Feynman dio un salto y exclamó: —¡En tal caso lo entiendo TOOODOOOOOO! —Ante la mirada atónita de sus colegas. La pieza que le faltaba por encajar había hecho “clic”, y se sucedieron varios días de trabajo intensivo en los que Feynman completó su teoría.

Pensé en Dirac, que durante cierto tiempo tuvo su ecuación –una ecuación nueva, que explicaba el comportamiento de un electrón–; yo tenía una nueva ecuación para la descomposición beta, que no era tan fundamental como la de Dirac, pero que era buena. Esta fue la única vez que he descubierto una nueva ley.

Gell-Mann y Feynman, sus piques eran legendarios.

Gell-Mann y Feynman, sus piques eran legendarios.

En realidad Feynman no estaba solo; Gell-Mann llegó a las mismas conclusiones y finalmente, y a pesar del pique que existía entre ellos, publicaron conjuntamente su nueva teoría sobre las interacciones débiles. Un poco antes se les adelantaron Robert Marshak y George Sudarshan con una publicación parecida. El camino hacia la unificación de la interacción débil y la interacción electromagnética había comenzado.

Esta entrada ha sido galardonada con el premio ED a la excelencia en la divulgación científica en conjunto con los dos artículos de Los Mundos de Brana sobre la vida de Chieng Sung Wan

Este artículo ha sido galardonada con el premio ED a la excelencia en la divulgación científica en conjunto con los dos artículos de Los Mundos de Brana sobre la vida de Chieng-Shiung Wu

Más información.

Chien- Shiung Wu, la gran física experimental (I): Primeras conquistas.

Chien- Shiung Wu, la gran física experimental (II): Al otro lado del espejo.

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

Richard P. Feynman. ¿Está usted de broma, Sr Feynman? Alianza editorial.

Francisco Ynduráin. Electrones, neutrinos y quarks. Drakontos Bolsillo.

T.D. Lee y C.N. Yang. Question of Parity Conservation in Weak Interactions.

C.S. Wu, E. Ambler, R.W. Hayward, D.D. Hoppes y R.P. Hudson. Experimental test of parity conservation in Beta Decay.

Tau theta puzzle. Wikipedia.

The fall of parity. NIST. De este recurso salieron las imágenes del experimento de Wu.

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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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