En 1900, poco después de que se descubrieran el electrón y la radiactividad, Lord Kelvin hizo la famosa observación:
No hay nada nuevo que descubrir en física. Todo lo que queda es una medición más y más precisa
Se demostraría que estaba terriblemente equivocado. El descubrimiento del núcleo y luego de sus constituyentes, el protón y el neutrón, revolucionó nuestra visión de lo que era el mundo. Nuestra comprensión del mundo cambió de lo clásico a lo cuántico y, hasta 1933, la mecánica cuántica fue de éxito en éxito en la descripción de las observaciones experimentales. Esto culminó con la ecuación de Dirac, que predijo la existencia de la antimateria, confirmada poco después por el descubrimiento del antielectrón (el positrón). Sin embargo, la satisfacción de los físicos duró poco. Entre bastidores, no todo iba bien. La mecánica cuántica se esforzaba por dar una explicación a las partículas que llovían sobre la Tierra desde el cosmos a un ritmo de 10.000 por minuto y por m2. Un verdadero “quién es quién” de las luminarias de la física intentaba comprender la naturaleza de estas partículas de “rayos cósmicos”. En aquella época, las únicas partículas conocidas eran los electrones, los protones, los neutrones, los fotones y los neutrinos (aún no detectados directamente). El problema de esta suposición (errónea) era que los “electrones” que llovían sobre la Tierra parecían ser de dos tipos -1. los que eran fácilmente absorbidos por los bloques de plomo y que creaban una lluvia secundaria de electrones, positrones y fotones cuando interactuaban con el plomo y 2. los que penetraban en los bloques de plomo con una fuerza de impacto superior. Al principio, la mecánica cuántica no tenía ninguna explicación de por qué los electrones debían comportarse de cualquiera de estas maneras, pero gradualmente la teoría fue modificada (especialmente por Bethe, Carlson, Heitler y Oppenheimer). Encontraron una forma de describir el tipo 1 (el “electrón” que se bañaba en plomo) pero, por desgracia, no tuvieron la misma suerte de encontrar una explicación para las partículas penetrantes del tipo 2. Los físicos teóricos (que habían tenido tanto éxito hasta entonces) estaban desesperados. Oppenheimer, siempre un tipo para añadir un poco de gravedad a la situación y que generalmente prefería su vaso medio vacío, escribió a su hermano en 1934:
Oppenheimer: La mecánica cuántica alimentada por la nicotina
Como sin duda sabes, la física teórica -con los fantasmas inquietantes de los neutrinos, la convicción de Copenhague, en contra de toda evidencia, de que los rayos cósmicos son protones, la teoría de campo absolutamente incuantificable de Born, las dificultades de divergencia con el positrón y la absoluta imposibilidad de hacer un cálculo riguroso en absoluto – está en un camino infernal
Rápidamente, la idea de que las partículas penetrantes eran protones fue descartada y la comunidad de físicos se enfrentó a una dura elección: una nueva partícula o la aceptación de que la mecánica cuántica era irremediablemente defectuosa. Durante un tiempo (que ahora se ha olvidado convenientemente), se eludió la cuestión y se empezó a hablar sotto voce de la posibilidad de que hubiera “electrones rojos y verdes”, un tipo que era absorbido y otro que penetraba.
Afortunadamente, el inspirado desarrollo de nuevas técnicas experimentales por parte de equipos de Europa y EE.UU. hizo que las observaciones experimentales de las partículas penetrantes fueran más precisas. Estas innovaciones experimentales (combinadas con nuevos avances en la teoría) permitieron una interpretación que condujo a la verdad ineludible: las partículas penetrantes eran algo parecido a un electrón, pero significativamente más pesado.
La partícula recibió originalmente el nombre de “mesotrón”. Como suele ocurrir en la ciencia, no hubo un “momento Eureka” de descubrimiento, sino un amanecer gradual de un nuevo paradigma a través del trabajo de muchas personas, tanto teóricas como experimentales. Anderson se llevó el mérito (como ya había recibido el Premio Nobel por la observación del positrón, probablemente fue más fácil de vender…), pero hubo una considerable cantidad de dramatis personae -Bethe, Heitler, Rossi, Neddermeyer, Street, Stevenson, Carlson y Oppenheimer- sin cuyas contribuciones no se habría descubierto el “mesotrón”. El “mesotrón” fue rápidamente rebautizado como muón, y quedó claro que el muón no era un electrón rojo o verde, ya que si fuera sólo un electrón pesado o más energético debería decaer en un electrón y un fotón, y esto no se observó. El muón parecía ser una partícula propia y distinta, por lo que el muón (después del electrón) fue la segunda partícula fundamental (es decir, una que no parece estar hecha de otras partículas) que se descubrió. Su descubrimiento supuso el inicio de la física de partículas como materia.
Muones – no sentí nada.
Hay varios cientos de muones pasando por tu cabeza cada segundo minuto. Afortunadamente, sus bajas energías (y su alta masa) hacen que sean inofensivos. Estos muones se originan en las colisiones de los rayos cósmicos (principalmente protones arrojados por las estrellas) con los átomos de nuestra atmósfera superior. Tras su descubrimiento se observó que el número de estos muones disminuía a medida que se acercaba a la Tierra y la conclusión natural (y correcta) fue que no eran partículas estables como el electrón, sino un poco voladoras (y diurnas), y que decaían a otras partículas más conocidas (electrones y neutrinos) en unas 2 millonésimas de segundo. En ese momento se sabía cuál era la masa del electrón y se suponía que los neutrinos no tenían masa, así que al observar la trayectoria y la energía del electrón a partir de la desintegración del muón (o al medir el tiempo que tardaba el muón en desintegrarse) se hizo evidente que el muón era un poco más grande. Pesaba unas 200 veces la masa del electrón.
El muón no es un gran empresario y tiene un repertorio bastante restringido, más adecuado quizás para una aparición fugaz en Factor X. En los últimos 75 años hemos observado que sólo hace dos cosas: interactuar y producir un neutrino o decaer y producir un electrón y dos neutrinos. Sin embargo, creemos que el muón será el último en reír y que es más que un poni de dos trucos. El muón tiene algo en la manga que nos ayudará a entender la física a escalas de energía mucho más allá del LHC. En concreto, creemos que revelará un nuevo tipo de interacción fundamental (además de las que conocemos (la electromagnética, la gravitatoria y las interacciones nuclear débil y fuerte) que puede ayudar a explicar uno de los problemas más antiguos de la física: ¿cómo se acumuló la mayor parte de la antimateria creada en el Big Bang (o presumiblemente se disonó hoy en día) al comienzo del Universo, en el tiempo que se tarda en hacer una taza de té?
Estamos planeando producir un haz de muones de una intensidad sin precedentes para observar este nuevo tipo de interacción (que describiré en el futuro). De hecho, tras un periodo de inactividad, este es un momento emocionante para ser un muón y sus propiedades penetrantes y magnéticas están siendo explotadas para una serie de aplicaciones más allá de la física de partículas. En los años sesenta se utilizaron para radiografiar las pirámides en busca de cámaras ocultas y los recientes avances en los detectores de partículas cargadas han abierto la posibilidad de utilizar los muones de rayos cósmicos para obtener imágenes precisas de volúmenes muy grandes (contenedores marítimos, vehículos de carga, estaciones de tren, etc.) con el fin de detectar bombas, material fisible o cosas que explotan en la noche. Los muones se están utilizando para estudiar las propiedades de nuevos materiales compuestos que tienen el potencial de proporcionar nuevos semiconductores para la industria electrónica o superconductores a temperatura ambiente con una diversidad de aplicaciones, desde trenes levitados (podría ser complicado en la Northern Line) hasta la transmisión de energía sin pérdidas. Recientemente se ha utilizado un haz de muones producido en las instalaciones del ISIS del Reino Unido para observar el fenómeno de la “magnetricidad” en el “hielo de espín”, lo que constituye potencialmente el primer paso hacia una versión magnética de la electrónica.
Así pues, permanezcan atentos, el muón es un plodder pero sus 15 minutos de fama están cerca.
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