La revolución de 1974

Nunca se han visto ni detectado directamente, sin embargo sabemos que existen, pues esto se demostró en noviembre de 1974. Más aún, no solo estamos convencidos de su existencia, estamos convencidos también de que conforman a los protones y neutrones, y por ende al átomo. Me refiero a los quarks, en concreto, a seis diferentes tipos de quarks, up, down, strange, charm, top, bottom. 

Si nunca los hemos detectado directamente, ¿entonces por qué estamos tan seguros de que existen? Esta es una pregunta científica acertada cuya respuesta no es trivial. De hecho, antes de noviembre de 1974, para los físicos que investigaban el comportamiento del núcleo atómico, los quarks (o partónes como los bautizó Richard P. Feynman en agosto de 1968) no eran reales como lo era el electrón. Los físicos teóricos de la época utilizaban los quarks como una herramienta matemática, después de obtener algún resultado los desechaban del cálculo, pues no se consideraban una entidad física, ¿por qué hacerlo si nunca se había visto o detectado alguno?

¿Por qué no podemos ver un quark directamente? Sabemos que el más masivo de los quarks, el top, tiene una masa de alrededor de 3.1 yocto kilogramos (174 giga electronvoltios dirían quienes estudian los quarks, físicos de altas energías), es decir, 24 ceros a la derecha del punto decimal acompañados de la cifra 31, un número absurdamente pequeño si se le compara con la masa de los objetos que rodean nuestra vida cotidiana. Dada su masa, la longitud de onda característica del top es de 7.125 attometros, para poder ver al top mediante un microscopio, la luz del microscopio tendría que ser por lo menos de la misma longitud de onda que la del top. Una onda electromagnética con esta longitud de onda es altamente energética, similar a la energía de la radiación liberada por una bomba nuclear. A día de hoy no es posible producir un haz de luz de estas características. Supongamos que una fuente de luz controlada con tales características existe en un laboratorio, ¿podríamos entonces ver al top? La respuesta es un contundente no. Los quarks no existen de manera aislada como lo hace un electrón por ejemplo, siempre están acompañados de por lo menos un quark más formando partículas más masivas como el protón y neutrón, entre otras. A este fenómeno se le conoce como confinamiento, por ahora mencionaré solamente que este es un comportamiento no trivial, es decir no tenemos del todo claro por qué sucede, lo relevante ahora mismo es que como el nombre lo indica, los quarks están confinados dentro de otras partículas.

Aunque a día de hoy entendemos el papel de los quarks como componentes del núcleo atómico, esto no siempre fue así. En 1964 y 1965, Murray Gell-Mann y George Zweig propusieron independientemente modelos matemáticos que intentaban predecir cómo podría estar conformada la estructura interna de los protones y neutrones, modelos de quarks que contenían al up, down y strange. Además del protón y neutrón, el modelo de Gell-Mann y Zweig precedía la existencia de otras partículas compuestas por diferentes combinaciones de quarks. La comunidad científica sospechaba que estas ideas podrían ser acertadas. Entre 1967 y 1974, de manera independiente, dos equipos de investigadores realizaron una serie de experimentos que (además de estar motivados por la curiosidad de encontrar “nueva física”) buscaban poner a prueba el modelo de quarks. Uno de estos equipos, liderado por Samuel Chao Chung Ting, era una colaboración entre físicos afiliados al MIT (Massachusetts Institute of Technology) e investigadores en el BNL (Brookhaven National Laboratory). Los experimentos de la colaboración MIT-BNL consistían en colisionar electrones contra protones y neutrones a energías tan altas como 20 Giga electronvoltios con diferentes ángulos de incidencia de colisión. De esta manera buscaban determinar si los protones y neutrones poseían una estructura interna o se comportan como partículas sin constituyentes internos. El segundo equipo, guiado por Burton Richter y Martin Perl, estaba conformado por físicos trabajando en SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), en particular en el experimento SPEAR (Stanford Positron Electron Asymmetric Rings). A diferencia de la colaboración MIT-BNL, en SLAC hacían colisionar electrones contra anti-electrones (también llamados positrones, una partícula como el electrón pero con carga eléctrica opuesta). Utilizando sofisticados aparatos, detectaban los diferentes tipos de partículas producidas tras la colisión con la esperanza de encontrar alguna nueva partícula nunca antes observada. Un elemento clave fue analizar e interpretar los datos experimentales, lo que permitió poner a prueba las predicciones teóricas. En particular, el trabajo teórico de James Bjorken fue fundamental para lograr esto. Bjorken dedujo que las predicciones teóricas que describen la colisión entre electrones y protones, a altas energías deberían comportarse como si el electrón colisionara contra estructuras puntuales, un resultado a favor del modelo de quarks. Aunque los resultados experimentales tempranos parecían indicar que el protón y neutrón estaban conformados por quarks, la comunidad de físicos de altas energías aún no estaba convencida. Para empezar, además del modelo de Gell-Mann y Zweig, habían otras propuestas teóricas que parecían explicar también los resultados experimentales de las colisiones electrón-protón/neutrón. Algunos aspectos del modelo de quarks no eran bien recibidos por los físicos, pues para funcionar, los quarks debían tener carga eléctrica de ⅓ y ⅔, no unidades enteras como la del electrón. Para los físicos de la época esto era una aberración, otra razón más para no tomar a los quarks en serio.

Por cierto, aunque el marco teórico alternativo al de Gell-Mann y Zweig, conocido como teoría de la matriz S y de singulares de Regge, fue demostrado erróneo como una descripción de la estructura del núcleo atómico, estas estructuras matemáticas encontraron su lugar en la física. Aunque no era claro en ese momento, la exploración de esta teoría alternativa dio lugar a lo que eventualmente se conocería como la teoría de cuerdas, que a día de hoy tiene como objetivo principal describir las interacciones gravitacionales como un fenómeno cuántico, pero esta historia es para otro día.        

Para 1973 la teoría y el experimento parecían converger para formar una sola pieza. Las mediciones y análisis experimentales se refinaban cada día más y otros experimentos llevados a cabo en INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) y CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) favorecían también al modelo de quarks. Las teorías alternativas al modelo de quarks habían sido descartadas experimentalmente. En este mismo año, David Gross, Frank Wilczek y David Politzer, habían demostrado que las teorías que contienen los fundamentos físicos y matemáticos del modelo de quarks (llamadas teorías de Yang-Mills), exhiben el comportamiento de “libertad asintótica”, el cual concordaba con las mediciones experimentales realizadas en CERN. El estudio de las teorías de Yang-Mills parecía indicar también que los quarks deberían estar atrapados dentro de estados ligados a bajas energías, justo como parecía observarse,  aunque no fue algo que se probara rigurosamente (a día de hoy no se sabe cómo probar matemáticamente que los quarks están confinados). Aun con todo esto, no se había detectado ni un solo quark aislado, ¿eran los quarks reales entonces?

A finales de agosto de 1974, la colaboración MIT-BNL observó una señal extraña en sus mediciones experimentales, parecía indicar la presencia de una nueva partícula en un rango de energía entre 2.5 y 4 giga electronvoltios, de tratarse de una nueva partícula, la llamarían J. Del mismo modo, el 10 de noviembre de 1974, SLAC observó una inesperada señal alrededor de 3 giga electronvoltios a la que llamaron Psi. De manera independiente, mediante experimentos diferentes, ambos equipos habían descubierto una nueva misma partícula, J/Psi. Recordemos que el modelo de Gell-Mann y Zweig predecía la existencia de partículas formadas por quarks up, down y strange, ¿podría ser que una combinación de estos quarks diera lugar a la existencia de J/Psi? La respuesta es no. En 1964, motivados por mantener una simetría que parecía existir entre las partículas que se consideraban fundamentales en la época (simetría entre leptones y hadrones) Sheldon Glashow y Bjorken introdujeron un cuarto quark al que llamaron charm. Seis años después, con el fin de remediar predicciones del modelo de Gell-Mann y Zweig que parecían no concordar con algunas mediciones experimentales, Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maiani, propusieron una mejora al modelo de tres quark utilizando al charm. Predijeron también la posibilidad de que el charm podría formar partículas más masivas. Cuatro años más tarde, en agosto de 1974, Mary Katharine Gaillard, Benjamin Whisoh Lee y Jonathan Rosner, propusieron que de existir, el charm podría formar partículas con una masa de alrededor de 3 giga electronvoltios, justo con las propiedades observadas por MIT-BNL y SLAC. Al anunciar ambas colaboraciones experimentales sus resultados, todas las piezas encajaron perfectamente, la teoría y el experimento eran uno mismo, los quarks eran reales, no había duda. El descubrimiento de J/Psi fue revolucionario, pues de ese momento en adelante los quarks se establecieron como constituyentes reales y fundamentales del universo. ¿Esto significa que el modelo de tres quarks es erróneo? No, simplemente incompleto digamos, pues por sí mismo el modelo de tres quark funciona de manera espectacular al predecir las propiedades de partículas con masas más ligeras que la del J/Psi. Una característica del J/Psi diferente a las de otras partículas conocidas en la época, era que esta era la más masiva de todas, aproximadamente 3 veces más que el protón. Esto hace que tenga un tiempo de vida medio de 7 zeptosegundos, 21 ceros a la derecha del punto decimal acompañado del número 7, es decir, ridículamente pequeño. 

Aunque espero haber logrado comunicar la relevancia del descubrimiento del J/Psi, la mejor manera de entender esto, es poniéndose en los zapatos de quienes vivieron la emoción de los hechos por sí mismos. En su libro “Grace in All Simplicity”, Chris Quigg y Robert N. Cahn, dedican un capítulo de su obra para narrar desde su experiencia personal como jóvenes físicos (pocos años después haber obtenido su doctorado), cómo vivieron la revolución de noviembre en 1974. Por su parte, al llegar a su oficina en la mañana del lunes 11 de noviembre de 1974 en la Universidad de Washington, Robert se encuentra con un mensaje a su espera, “Llámame o llama a SLAC, Dave”. Cuando John David Jackson (autor del famoso o infame libro “Electrodinámica Clásica”), Dave, decide llamarte inesperadamente, algo interesante debe haber sucedido. “El tono imperativo de David Jackson no podía ser ignorado… Mis dedos marcaron el número automáticamente”, relata Robert. A 1200 kilómetros al oeste de Washington, en Fermilab, Batavia Illinois, intentando mantener la compostura, Benjamin Lee se aparece repentinamente en la oficina de Chris para decirle “parece que han encontrado al charm”, seguido por la confesión de su estado de asombro, “¿estoy soñando?”, le preguntó a Chris. 

Quigg y Chan exploran de una manera no lineal el desarrollo histórico de piezas clave que lentamente dieron lugar a la concepción más increíble, bella y exitosa de la historia humana, la teoría que describe la naturaleza a sus escalas más fundamentales, el Modelo Estándar de la física de partículas. Aunque este texto no es de nivel técnico y está escrito para un público que se asume no tiene conocimiento previo de física (tanto técnico como histórico), diría que para algunos más de una lectura podría ser necesaria para digerir los descubrimientos científicos relatados en “Grace in All Simplicity”. A quienes hayan encontrado la breve recapitulación de la revolución de 1974 que he presentado aquí interesante, les sugiero leer este escrito (a día de hoy existe en su versión original solamente, es decir escrito en idioma inglés). Para quienes los eventos vividos en el noviembre de hace 51 años no signifiquen mucho, les recomiendo aún más leer el texto, pues sin duda Quigg y Chan hacen un mejor trabajo que yo narrado esta y otras historias que les permitirán fascinarse por el estudio de la materia en sus escalas métricas más bajas y energías más altas. 

S. Ting, I. Schulz, U. Becker y M. Rhode trabajando en la sala de control del experimento PLUTO en DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron),  finales de los 60s. Imagen tomada de, The Discovery of the J Particle; A Personal Recollection. Samuel C.C. Ting, 1977. Physica Scripta, Volúmen 15, Número 1.