El electrón cumple 100 años

En el descubrimiento del electrón por J. J. Thomson hace 100 años había una doble ironía. En primer lugar, más que un triunfo del virtuosismo experimental, el descubrimiento fue un triunfo de ideas teóricas preconcebidas. Cuando le fue concedida la cátedra de física experimental en el Cavendish Laboratory, la reputación de Thomson se debía en gran medida a su trabajo matemático; uno de sus ayudantes recordaba que "J. J. era muy torpe con los dedos y consideré necesario no animarle a manejar los intrumentos". La medición crucial que realizó en 1897 de la relación entre la masa y la carga de la partícula que compone los rayos-catódicos no fue tan exacta como las mediciones hechas más o menos al mismo tiempo por Walter Kaufmann en Berlín.Pero Thomson había sido educado en la tradición intelectual atomística de Newton, Prout y Dalton, y le parecía natural partir de la observación de que la relación entre la masa y la carga de la partícula del rayo catódico era pequeña a la vez que independiente del material del cátodo desde el que es emitida para concluir que esta partícula era el componente básico de los átomos, "la sustancia a partir de la cual se construyen los elementos químicos".

Quizá el mayor logro de Thomson como experimentador fue su demostración, llevada a cabo dos años después, de que las partículas emitidas desde las superficies metálicas durante los efectos fotoeléctricos y termoeléctricos tienen la misma relación entre la masa y la carga que la partícula de los rayos catódicos. Esto apoyaba su afirmación según la cual todas estas partículas son la misma. Más o menos por entonces, los físicos empezaron a llamar a esta partícula con un nombre prestado de la teoría de la electrólisis: el electrón.

Thomson también realizó una medición poco precisa de la carga eléctrica del electrón, de la que se podían deducir inmediatamente las cargas de los iones, átomos que han ganado o perdido uno o más electrones. Junto a mediciones anteriores de relaciones entre masa y carga de iones en la electrólisis, proporcionó valores para las masas de los iones y, por tanto, también para las de los átomos que coincidían con las deducidas por otros medios.

Ésta es una segunda y mayor ironía: el descubrimiento del electrón contribuyó a establecer la existencia de átomos, pero como los electrones podían ser separados de los átomos, este descubrimiento también demostró que los átomos no eran lo que siempre se creyó: no son los componentes indivisibles de la materia. Como diríamos hoy, no son partículas elementales.

Entonces, ¿cuáles son las partículas elementales? Cuando en 1911 se descubrieron los núcleos atómicos en el laboratorio de Ernest Rutherford, se supuso que no eran elementales, en parte porque se sabía que algunos núcleos radiactivos emiten electrones y otras partículas, y también porque todas las cargas y las masas nucleares se podían explicar partiendo de que los núcleos están compuestos de dos tipos de partículas elementales: electrones ligeros con carga negativa y protones pesados con carga positiva.

En los años veinte, la idea de que toda la materia se compone de sólo dos tipos de partícula elemental se extendió y adquirió una fuerza que hoy cuesta entender. Por ejemplo, cuando en 1932 James Chadwick descubrió el neutrón eléctricamente neutro, se supuso que se trataba de un objeto compuesto de un protón y un electrón.

El descubrimiento en 1936 de la independencia de la carga respecto a las fuerzas nucleares demostró claramente que los neutrones y los protones deben ser tratados de la misma manera; si los protones son elementales, los neutrones también deben ser elementales. En la actualidad, al hablar de protones y neutrones a menudo los agrupamos como nucleones.

Esto no era más que el principio de un gran aumento en la lista de las llamadas partículas elementales. La primera nueva partícula que fue descubierta fue el positrón, la antipartícula del electrón. En la teoría del electrón de Paul Dirac de 1928-30, el positrón aparece como un agujero en un mar de electrones de energía negativa, pero hoy esta interpretación se ha quedado obsoleta y el positrón es considerado como una partícula por derecho propio.

El muón (una especie de electrón pesado) fue añadido a la lista en 1937 (aunque su naturaleza no se conoció hasta tiempo después), y partículas fuertemente interactivas llamadas piones, kaones e hiperones se descubrieron a finales de los años cuarenta. La partícula poco interactiva llamada neutrino había sido propuesta en 1930, pero no fue detectada hasta 1955. Luego, a finales de los cincuenta, la utilización de aceleradores de partículas y de cámaras de burbujas empezó a revelar uña gran variedad de nuevas partículas fuertemente interactivas, entre ellas primos más pesados de los piones, kaones, nucleones e hiperones.

Los teóricos, basándose en el principio de que aunque haya más de dos tipos de partícula elemental, en realidad no debería haber muchas, especularon con la posibilidad de que la mayor parte de estas partículas fueran compuestos de unos cuantos tipos de partículas elementales. Pero, ¿cómo se podía decir si el electrón o cualquiera de estas partículas se encuentra entre las que son elementales? En cuanto se planteó esta pregunta, quedó claro que la antigua respuesta -que las partículas son elementales si no se les puede quitar nada- era inexacta. Los electrones y positrones son creados en colisiones de electrones entre sí o con núcleos atómicos, pero no podemos considerar como si hubieran salido del electrón. Los piones se crean cuando los protones chocan entre sí y los protones y antiprotones se crean cuando los piones chocan entre sí: entonces, ¿cuál está compuesto de cuál?

En los años cincuenta, algunos teóricos transformaron este dilema en un principio conocido como "democracia nuclear", según el cual cualquier partícula puede ser considerada como un estado combinado de otras partículas cualesquiera, con tal de que se respeten las leyes de conservación. Este punto de vista quedó reflejado décadas más tarde en una conferencia ante la Sociedad Física Alemana por Werner Heisenberg, que recordó: "En los experimentos de los años cincuenta y sesenta... se descubrieron muchas partículas nuevas con vida larga y corta y no se pudo dar una respuesta clara a la cuestión sobre cómo estaban compuestas estas partículas, ya que esta cuestión ya no tiene un significado racional. Por ejemplo, un protón podría estar formado por un neutrón y un pión o por un hiperón Lambda y un kaón, o a partir de dos nucleones y un antinucleón... Por consiguiente, la diferencia entre partículas elementales y compuestas ha desaparecido básicamente. Y eso es sin duda el descubrimiento más importante de los últimos 50 años".

Mucho antes de que Heisenberg alcanzase esta conclusión bastante exagerada, se había extendido un tipo de definición diferente de la partícula elemental. Desde la perspectiva de la teoría cuántica de campos, desarrollada por Heisenberg, Pauli y otros en el periodo entre 1926 y 1934, los ingredientes básicos de la naturaleza no son partículas, sino campos; el fotón es un cuanto de energía del campo electromagnético, y el electrón es un cuanto de energía de un campo diferente, llamado el campo electrónico.

Es natural definir una partícula elemental como aquella cuyo campo aparece en las ecuaciones de campo fundamentales.

No importa que la partícula sea pesada o ligera, estable o inestable, si su campo aparece en las ecuaciones de campo es elemental, si no, no lo es. Esta es una buena definición cuando se conocen las ecuaciones de campo, pero durante mucho tiempo, los físicos no las conocieron, excepto en el caso de la electrodinámica cuántica, la teoría de los electrones, positrones y fotones.

La falta de una vía estrictamente empírica para distinguir las partículas compuestas y las elementales no significa que esta distinción no sea útil. En los años setenta, la distinción entre partículas elementales y compuestas pareció quedar mucho más clara con la aceptación general de una Teoría Cuántica de Campos de las partículas elementales conocida como el Modelo Estándar. Describe campos de quarks (los componentes de nucleones, hiperones, piunes y demás); de leptones (el electrón, el muón y el tau, descubierto más recientemente; junto con tipos asociados de neutrinos) y del fotón y 11 partículas similares -los ocho gluones que producen las fuerzas fuertes que mantienen unidos a los quarks en los nucleones; y las partículas W +, W- y Zº que producen las fuerzas débiles responsables de los procesos radioactivos relacionados con los neutrinos-.

Así, al menos de momento, éstas son las partículas elementales: los quarks, los leptones y el fotón y sus hermanos. El protón y el neutrón y los cientos de partículas altamente interactivas descubiertas después de la II Guerra Mundial no son finalmente elementales; son compuestos de quarks y gluones, no porque podamos dividirlas en quarks y gluones, que se cree que es imposible, sino porque así aparecen en la teoría.

La masa

El aspecto del Modelo Estándar que queda por aclarar es el mecanismo que da a las partículas elementales su masa. En las versión más simple del modelo, estas masas dependen de constantes que especifican la fuerza de la interacción de las diferentes partículas con una nueva clase de campo que se extiende por el universo, pero estas constantes sólo son parámetros libres de la teoría.A falta de mejores ideas, sería más natural esperar que todas estas constantes sean aproximadamente iguales a la constante que especifica la fuerza de la interacción entre el electrón y otras partículas con carga y el campo electromagnético, es decir, a la carga del electrón. En este caso, todas las partículas elementales tendrían masas que son iguales a cero o más o menos iguales a las masas de las partículas W +, W- y Zº. Ese no es ni mucho menos el caso dado que casi todas las partículas elementales son más ligeras que las éstas. Concretamente, la más ligera de las partículas elementales es el electrón; su masa es 180.000 veces menor que la masa de Zº. Nadie sabe de dónde proviene una cantidad de esas dimensiones. Desde este punto de vista, el electrón es la más misteriosa de todas las partículas elementales.

A través de esta serie de descubrimientos, el electrón ha mantenido su categoría de partícula elemental, pero ahora es conocido como uno de los tres leptones con carga eléctrica. El que los electrones sean importantes en la vida cotidiana mientras que los muones y los tauones no lo son, refleja el hecho de que es el más ligero de los tres y, por lo tanto, es estable. No hay indicios de que los electrones desempeñen un papel más básico en las leyes de la física que los otros leptones o los quarks.

El éxito de la Teoría Cuántica de Campos y del Modelo Estándar aporta una interesante aclaración de anteriores ideas sobre el electrón. Dirac, en su traba o sobre Mecánica Cuántica relativista de 1928, llegó a la conclusión de que los electrones deben de tener un momento angular determinado, o espín, equivalente a un medio en las unidades naturales en la física atómica. El hecho de que el electrón tiene un espín de un medio había sido descubierto hacía unos años pero todavía era bastante misterioso, así que esta predicción se consideró un gran éxito.

Ni siquiera ahora se reconoce siempre que, aunque la teoría de Dirac fue un gran paso adelante en nuestro conocimiento del electrón, su idea sobre el espín del electrón era incorrecta. El análisis de Dirac no se basaba en ninguna propiedad especial del electrón, sino que suponía únicamente que se trata de una partícula elemental, lo cual llevó a Dirac a considerar tácitamente que implicaba que debía describirse mediante una generalización relativista de la mecánica ondulatoria no relativista de Schroedinger.

Como señaló Dirac, esto efectivamente generaría probabilidades negativas si una partícula elemental tuviera algún otro espín aparte del de un medio, así que el razonamiento de Dirac llevaría a la conclusión de que todas las partículas elementales deben tener un espín de un medio. Pero ahora conocemos otras partículas como el W +, el W- y el Z' (así como partículas sin masa como el fotón y los gluones) que parecen exactamente tan elementales como el electrón, pero tienen un espín de uno en vez de un espín de un medio. El problema con el razonamiento de Dirac es que la mecánica cuántica relativista no necesita ser formulada como una generalización relativista de la mecánica ondulatoria; la teoría cuántica de campos ofrece un planteamiento más general que sirve para partículas elementales de cualquier espín.

El éxito del Modelo Estándar podría haber marcado el final de la historia de la identificación de partículas elementales, pero desde finales de los años setenta, nuestro conocimiento de la teoría cuántica de campos ha dado otro giro. Hemos conseguido entender que las partículas pueden ser descritas a energía suficientemente baja por campos que aparecen en las llamadas teorías cuánticas de campos efectivas, independientemente de que estas partículas sean verdaderamente elementales.

Por ejemplo, aunque los campos del nucleón y del pión no aparecen en el Modelo Estándar, podemos calcular las relaciones de procesos en los que intervienen piones y nucleones hipoenergéticos utilizando una teoría cuántica de campos efectiva de piones y de nucleones en vez de campos de quarks y de gluones. En esta teoría de campos, los piones y los nucleones parecen elementales, pero los núcleos no. Cuando utilizamos una teoría de campos de esta forma, simplemente invocamos los principios generales de las teorías cuánticas relativistas, junto con cualquier simetría relevante. En realidad, no hacemos ninguna suposición sobre las estructuras fundamentales de la física.

Desde este punto de vista, sólo podemos decir que los quarks y gluones así como el fotón, W+, W-, Zº y el electrón y otros leptones son más elementales que los nucleones y los piones, porque sus campos aparecen en una teoría, la del Modelo Estándar, que se aplica a una variedad mucho más amplia de energías que la teoría de campos efectiva que describe nucleones y piones hipoenergéticos. No podemos llegar a ninguna conclusión. definitiva sobre el carácter elemental de los quarks ni sobre la de los gluones, ni siquiera sobre la de los mismísimos electrones. El Modelo Estándar probablemente no es más que una Teoría Cuántica de Campos efectiva que sirve como aproximación a alguna teoría más básica cuyos detalles serían revelados a energías mucho más altas que las disponibles en los aceleradores modernos y que quizá no estén relacionadas en absoluto con campos de quarks ni de leptones.

Mucha energía

Los experimentos demuestran que la fuerza del campo magnético del electrón es de 1.001159652188(4) unidades atómicas naturales, mientras que la electrodinámica cuántica da un valor de 1.00115965214(3). Esta espectacular coincidencia demuestra que, si los electrones son partículas compuestas, las energías implicadas en su composición deben de ser mucho mayores que cualquiera de las energías probadas en los experimentos de alta energía actuales.Puede que no seamos capaces de dar una respuesta definitiva a la cuestión de qué partículas son elementales hasta que no tengamos una teoría final de la fuerza y la materia. Cuando tengamos esa teoría, quizá descubramos que las estructuras elementales de la física no son en absoluto partículas. Muchos teóricos creen que la teoría fundamental es una especie de teoría de supercuerdas, en la que el electrón, los quarks y demás no son más que modos de vibración de baja frecuencia de las cuerdas. Desde el punto de vista de la teoría de, las supercuerdas, campos como el electromagnético y el campo del electrón no son fundamentales, sino que aparecen únicamente en una descripción aproximada de fenómenos, válidos para energías demasiado bajas como para provocar los modos de vibración más altos de la cuerda.

Se puede sacar una conclusión. La tarea de los físicos no es dar respuesta a una serie de cuestiones fijas sobre la naturaleza, como la de decidir qué partículas son elementales. No sabemos de antemano cuáles son las preguntas adecuadas que hay que hacer y, a menudo, no lo descubrimos hasta que nos falta poco para encontrar la respuesta.

Steven Weinberg es profesor de Física en la Universidad de Tejas, Austin. Reproducción autorizada de Nature Vol. 386 Pag. 213. oc 1997 Macmillan Magazines Ltd.