La partícula divina (64 page)

De manera análoga, la simetría
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, que implica una invariancia más abstracta impuesta a las ecuaciones pertinentes, genera también, en cada caso, las fuerzas electromagnética, débil y fuerte.

Estamos en el umbral del camino privado que conduce a la Partícula Divina. Debemos repasar varias ideas. Una de ellas guarda relación con las partículas de la materia: los quarks y los leptones. Todas tienen un espín de un medio en las curiosas unidades cuánticas del espín. Y están los campos de fuerza, que también se pueden representar por medio de partículas: los cuantos del campo. Todas esas partículas tienen espín entero, un espín de una unidad. No son sino las partículas mensajeras y los bosones
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de los que hemos hablado a menudo: los fotones, los W y el Z y los gluones, todos descubiertos y sus masas, medidas. Para que esta serie de partículas materiales y vehículos de la fuerza tenga sentido, reconsideremos los conceptos de invariancia y simetría.

Hemos revoloteado alrededor de esta idea de la simetría
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porque es muy difícil, quizá imposible, explicarla por completo. El problema es que este libro está en lenguaje escrito, y el lenguaje de la teoría
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es el de las matemáticas. En el lenguaje escrito hemos de recurrir a las metáforas. Más revoloteo, pero quizá sirva.

Por ejemplo, una esfera tiene una simetría perfecta ya que podemos girarla el ángulo que sea alrededor del eje que sea sin producir cambio alguno en el sistema. El acto de la rotación se puede describir matemáticamente; tras la rotación, la esfera se puede describir con una ecuación que es idéntica en cada detalle a la ecuación antes de la rotación. La simetría de la esfera conduce a la invariancia de las ecuaciones que describen la esfera ante la rotación.

Pero ¿a quién le interesan las esferas? El espacio vacío también es rotacionalmente invariante, como la esfera. Por lo tanto, las ecuaciones de la física deben ser rotacionalmente invariantes. En términos matemáticos, esto quiere decir que si rotamos un sistema de coordenadas x-y-z un ángulo cualquiera alrededor de cualquier eje, ese ángulo no aparecerá en la ecuación. Hemos discutido otras simetrías así. Por ejemplo, se puede mover un objeto situado en una superficie plana infinita una distancia cualquiera en la dirección que sea y el sistema será idéntico (invariante) al que se tenía antes del movimiento. A este movimiento del punto A al B se le llama traslación, y creemos que el espacio también es invariante bajo traslaciones; es decir, si le añadimos 12 metros a todas las distancias, el 12 se caerá de nuestras ecuaciones. Es decir, por seguir con la letanía, las ecuaciones de la física deben exhibir la invariancia ante las traslaciones. Para completar esta historia, de la simetría conservación, tenemos la ley de la conservación de la energía. Curiosamente, la simetría con la que se asocia tiene que ver con el tiempo, es decir, con el hecho de que las leyes de la física sean invariantes bajo una traslación temporal. Esto quiere decir que en las ecuaciones de la física, si añadimos un intervalo constante de tiempo, digamos 15 segundos, allá donde aparezca el tiempo, la adición será eliminada y la ecuación permanecerá invariante bajo ese desplazamiento.

Ahora viene la frase brillante. La simetría descubre rasgos nuevos de la naturaleza del espacio. Ya me he referido antes a Emmy Noether en este libro. Su contribución de 1918 fue la siguiente: para cada simetría (que se manifiesta en la incapacidad de las ecuaciones básicas para dar señal de, por ejemplo, las rotaciones espaciales y las traslaciones y la traslación temporal), hay ¡una ley de conservación correspondiente! Ahora bien, las leyes de conservación se pueden contrastar experimentalmente. El trabajo de Noether conectó la invariancia traslacional a la bien comprobada ley de la conservación del momento, la invariancia rotacional a la conservación del momento angular y la invariancia ante la traslación temporal a la conservación de la energía. Entonces, invirtiendo el razonamiento lógico, estas leyes de conservación inexpugnables experimentalmente nos hablan de las simetrías que respetan el espacio y el tiempo.

La conservación de la paridad discutida en el interludio C es un ejemplo de una simetría discreta que se aplica al dominio cuántico microscópico. La simetría especular equivale literalmente a una reflexión en un espejo de todas las coordenadas de un sistema físico. Matemáticamente equivale a cambiar todas las coordenadas z por -z, donde z apunta hacia el espejo. Como hemos visto, aunque las fuerzas electromagnética y fuerte respetan esta simetría, la débil no, lo que, claro está, nos dio una alegría infinita allá por 1957.

Hasta aquí, casi toda la materia es de repaso y la clase lo hace bien. (Lo noto.) Vimos en el capítulo 7 que puede haber simetrías más abstractas, que no están relacionadas con la geometría, de la que nuestros ejemplos anteriores han venido dependiendo. Nuestra mejor teoría cuántica de campos, la QED, resulta que es invariante con respecto a lo que a primera vista parece un cambio espectacular de la descripción matemática: no con respecto a una rotación geométrica, una traslación o una reflexión, sino bajo un cambio más abstracto en la descripción del campo.

El nombre del cambio es transformación
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, y no merece la pena la ansiedad matemática que provocaría cualquier descripción más detallada. Baste decir que las ecuaciones de la electrodinámica cuántica (QED) son invariantes bajo las transformaciones
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. Se trata de una simetría muy poderosa, en el sentido de que cabe derivar de ella sola todas las propiedades del electromagnetismo. Históricamente no se hizo así, pero hay textos para licenciados que proceden hoy de esa forma. La simetría asegura que el vehículo de la fuerza, el fotón, carece de masa. Como la carencia de masa se conecta con la simetría
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, al fotón se le llama «bosón
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». (Recordad que «bosón» es la denominación de las partículas, a menudo mensajeras, que tienen espín entero.) Y como se ha mostrado que la QED, la interacción fuerte y la débil se describen con ecuaciones que exhiben simetría
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, todos los vehículos de la fuerza —los fotones, los W y el Z y los gluones— se llaman bosones
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.

Los treinta años de esfuerzo estéril de Einstein por hallar una teoría unificada fueron dejados atrás a finales de los años sesenta por el éxito que tuvieron Glashow, Weinberg y Salam al unificar las interacciones débil y electromagnética. La principal consecuencia de la teoría fue la existencia de una familia de partículas mensajeras: el fotón, el
W
⁺
, el
W
⁻
y el
Z°
.

Ahora suena el tema de la Partícula Divina. ¿Cómo tenemos W y Z pesados en una teoría
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? ¿Cómo pertenecen a una misma familia objetos tan dispares como el fotón sin masa y los pesados W y Z? Las enormes diferencias de masa explican las grandes diferencias entre las naturalezas de las fuerzas electromagnética y débil.

Volveremos a esta irritante introducción luego; demasiada teoría extenúa mi espíritu. Y además, antes de que los teóricos puedan salir con la respuesta a esas preguntas, hemos de hallar el W. Como que se esperan.

Así que el CERN puso su dinero (o más exactamente, se lo dio a Carlo Rubbia) y la persecución del W se puso en marcha. Debería señalar que si el W tiene unos 100 GeV de masa, hace falta una energía disponible de colisión mucho mayor que 100 GeV. Un protón de 400 GeV que choque con un protón en reposo no vale, pues entonces sólo hay 27 GeV disponibles para formar partículas nuevas. El resto de la energía se usa para conservar el momento. Por eso propuso Rubbia la vía del colisionador. Su idea consistía en hacer una fuente de antiprotones valiéndose del inyector del Supersincrotrón de Protones (SPS) del CERN, de 400 GeV, para fabricar p-barras. Cuando se hubiese acumulado un número adecuado, los metería en el anillo de imanes del SPS, más o menos como hemos explicado en el capítulo 6.

Al contrario que el posterior Tevatrón, el SPS no era un acelerador superconductor. Ello significaba que su energía máxima estaba limitada. Si se aceleraban ambos haces, el de protones y el de antiprotones, hasta toda la energía que podía dar el SPS, 400 GeV, se tendrían disponibles 800 GeV, una cantidad enorme. Pero la energía elegida fue de 270 GeV por haz. ¿Por qué no 400 GeV? Primero, porque entonces los imanes habrían tenido que llevar una corriente alta durante mucho tiempo —horas— en el periodo de las colisiones. Los imanes del CERN no estaban diseñados para esto y se recalentarían. Segundo, porque mantener el tiempo que sea un campo intenso es caro. Los imanes del SPS se diseñaron para elevar sus campos magnéticos hasta la energía máxima de 400 GeV durante unos pocos segundos, mientras se entregaban los haces a unos usuarios que hacían experimentos de blanco fijo, y luego reducían el campo a cero. La idea de Rubbia de hacer que chocasen dos haces era ingeniosa, pero su problema básico era que su máquina no se había diseñado originalmente para que fuera un colisionador.

Las autoridades del CERN estuvieron de acuerdo con Rubbia en que seguramente bastarían 270 GeV por haz —sumando una energía total de 540 GeV— para producir los W, que «pesan» sólo unos 100 GeV. Se aprobó el proyecto y en 1978 se concedió una cantidad apropiada de francos suizos. Rubbia formó dos equipos. El primero era un grupo de genios de los aceleradores: franceses, italianos, holandeses, ingleses, noruegos y un yanqui que los visitaba de vez en cuando. Se hablaban en un mal inglés y un impecable «aceleradorés». El segundo equipo, constituido por físicos experimentales, tenía que construir un detector muy grande, denominado UA-1 en un arrebato de imaginación poética, para observar las colisiones entre los protones y los antiprotones.

En el grupo del acelerador de p barras, un ingeniero holandés, Simon Van der Meer, había inventado un método para comprimir los antiprotones en un volumen pequeño del anillo de almacenamiento que acumula objetos tan escasos. Este invento, el «enfriamiento estocástico», como se le llamó, fue la clave para conseguir los bastantes p barras como para que hubiera un número respetable de colisiones p/p barra, es decir, unas 50.000 por segundo. Rubbia, técnico soberbio, apresuró a su grupo, escogió a sus miembros, se encargó de la mercadotecnia, las llamadas y la propaganda. Su técnica: tener labia, viajar lo que haga falta. Sus presentaciones son de estilo metralleta, con cinco transparencias proyectadas por minuto, una mezcla indisociable de exageración, prepotencia, ampulosidad y sustancia.

En la física hay muchos a quienes Carlo Rubbia les parece un científico de proporciones heroicas. Me tocó hacer su presentación antes de que pronunciase el discurso del banquete en una reunión internacional en Santa Fe con una asistencia notable. (Fue después de que hubiese ganado el premio Nobel por haber hallado el W y el Z.) Le presenté con un cuento.

En las ceremonias del Nobel en Estocolmo, el rey Olaf coge a Carlos y se lo lleva aparte, y le dice que hay un problema. Por culpa de una chapuza, sólo se dispone ese año de una medalla. Para determinar qué laureado se merece el oro, el rey ha dispuesto tres tareas heroicas, a afrontar en tres tiendas levantadas en el campo, a la vista de todos. En la primera, se le dice a Carlo, encontrará cuatro litros de
slivovitz
muy destilado, el brebaje que ayudó a disolver Bulgaria. El tiempo asignado para tomárselo todo es de ¡20 segundos! En la segunda tienda hay un gorila que lleva tres días sin comer y sufre de la muela del juicio. La tarea: sacársela. Tiempo: 40 segundos. La tercera tienda oculta a la cortesana más consumada del ejército iraquí. La tarea: satisfacerla por completo. Tiempo: 60 segundos.

Cuando se dispara la pistola de salida, Carlo se mete en la primera tienda. Todos le oyen tragar y, en 18,6 segundos, se muestran triunfalmente cuatro botellas vacías de
slivovitz
. Sin perder tiempo, el mítico Carlo corre a la segunda tienda, y de allí salen unos rugidos enormes, ensordecedores, que todos oyen. Luego reina el silencio. Y en 39,1 segundos sale pegando tumbos, se tambalea hasta el micrófono y pide: «Muy bien, ¿dónde está el gorila con el dolor de muelas?».

El público, quizá porque el vino del congreso corría con generosidad, se desternilló. Por último presenté a Carlo, y cuando pasó junto a mí camino del atril, me susurró: «No lo he cogido. Explícamelo luego».

Rubbia no aguantaba de buena gana a los tontos, y su férreo control generó resentimientos. Algún tiempo después de su triunfo, Gary Taubes escribió un libro sobre él,
Nobel Dreams
, que no era halagador. Una vez, en una escuela de invierno, Carlo estaba entre el público, anuncié que se habían vendido los derechos para el cine del libro y que Sidney Greenstreet había firmado el contrato para hacer el papel de Rubbia. Alguien me señaló que Sidney Greenstreet estaba muerto pero que, si no, habría sido una buena elección. En otra reunión, un congreso de verano en Long Island, alguien escribió en la pizarra: «No nadar. Carlo está usando el océano».

Rubbia empujó con fuerza en todos los frentes de la búsqueda del W. No paraba de urgir a los constructores de los detectores para que ensamblasen el imán monstruoso que detectaría y analizaría los sucesos de cincuenta o sesenta partículas que saldrían de las colisiones frontales de los protones de 270 GeV con los antiprotones de 270 GeV. No estaba menos al tanto de la construcción del acumulador de antiprotones, o anillo AA, ni era menos activo en ella; se trataba del dispositivo que pondría en acción la idea de Van der Meer y produciría una fuente intensa de antiprotones para su inserción y aceleración en el anillo SPS. El anillo había de tener cavidades de radiofrecuencias, un enfriamiento por agua más poderoso y una sala de interacción, con un instrumental especial, donde se pudiese ensamblar el detector UA-1. Las autoridades del CERN aprobaron un detector competidor, el UA-2, claro, para que Rubbia tuviese que ser sincero y cubrirse un poco las espaldas. El UA-2 fue la
rara avis
del asunto, pero el grupo que lo construyó era joven y entusiasta. Limitados por un presupuesto menor, diseñaron un detector muy diferente.

El tercer frente de Rubbia era el de mantener el entusiasmo de las autoridades del CERN, agitar a la comunidad mundial y poner el escenario para el gran experimento del W. Toda Europa se moría por éste, porque suponía la puesta de largo de la ciencia europea. Un periodista afirmó que un fracaso aplastaría a «papas y primeros ministros».