El zoo de partículas subatómicas ha ido creciendo a lo largo de los años desde el descubrimiento del electrón, como uno de los constituyentes fundamentales de los átomos. Al principio, el descubrimiento de estas nuevas partículas ocurría de manera casual mediante el uso de primitivos aceleradores de partículas o por el estudio de rayos cósmicos, es decir, de las partículas de alta energía que inciden en la atmósfera, provenientes del espacio, donde colisionan con los átomos del aire y producen otras partículas. No existía un modelo teórico que pudiera predecir la existencia de esas partículas, así que todo llegaba por sorpresa.
Un ejemplo de ello ocurrió en 1936 cuando Carl Anderson y Seth Neddermeyer, por entonces en Caltech, estaban estudiando los rayos cósmicos usando una cámara de niebla a la que aplicaban un campo magnético y encontraron trazas de unas partículas que se curvaban de manera ligeramente diferente a como lo hacían los electrones. Estaba claro que por su curvatura tenían carga negativa, pero su radio de curvatura era mayor que el de los electrones. Se asumió que esta nueva partícula tenía la misma carga que el electrón, por lo que para conseguir que el radio de curvatura fuera mayor, esta partícula tenía que tener una masa mayor que la del electrón, considerando partículas a la misma velocidad. Se comparó también el radio de curvatura con el de las trazas de protones (aunque estos tuvieran carga positiva) y se vio que el radio de la nueva partícula era menor que el de éstos, por lo que su masa tenía que ser menor que la de los protones.
La existencia de esta nueva partícula añadió una complejidad adicional al zoo de partículas que empezaba a aparecer en esa época. Inicialmente se llamó mesotrón e incluso se llegó a pensar que era la partícula mediadora de la fuerza fuerte que había predicho Yukawa, por lo que se le cambió el nombre a mesón mu. Tras el descubrimiento del pión (o mesón pi) y otros mesones (un mesón es una partícula compuesta de dos quarks y que tiene spin entero), se vio que el mesón mu no tenía las mismas propiedades que los mesones, es decir, no interaccionaban con la fuerza nuclear fuerte. Además, se descubrió que los mesones mu se desintegraban en neutrinos y antineutrinos. A partir de entonces se le volvió a cambiar el nombre por muón ya que así se alejaba del concepto de mesón al que se le había asociado anteriormente.
Neutrino muónico (Fuente: Particle Zoo)
La aparición de neutrinos y antineutrinos planteaba una cuestión importante. ¿Son los mismos neutrinos que los asociados a los electrones en la desintegración beta? Estaba claro que se tenía que continuar con la tarea iniciada por Reines y Cowan como cazadores de neutrinos e intentar solucionar el misterio.
Una buena manera de estudiar la naturaleza de los neutrinos asociados a los muones es a través del estudio de la reacción π → μ ν. El problema era que, para obtener piones en cantidades suficientes como para llevar a cabo la investigación, son necesarias energías que no se alcanzan a través del estudio de los piones producidos en la atmósfera como producto de las colisiones de los rayos cósmicos. Era necesario, por tanto, utilizar aceleradores de partículas. Además de unos investigadores lo suficientemente atentos como para ver que utilizando esta reacción de desintegración se podía investigar el problema.
Esta conjunción de factores, un acelerador y unos buenos investigadores, se dio en el acelerador de Brookhaven en 1962 donde se encontraban trabajando Leon Lederman, Mel Schwartz y Jack Steinberger.
En su libro, La partícula divina (dejemos aparte la historia de porqué se llama divina), Lederman cuenta la historia de cómo llegó a idear y montar el experimento.
Utilizando el Sincrotrón de Gradiente Alterno (Alternating Gradient Synchrotron) de Brookhaven, que en 1960 consiguió alcanzar unas energías sin precedente al acelerar protones a 33 GeV, el equipo formado por Lederman, Schwarz y Steinberger aceleraron protones hasta una energía de 15 GeV. Una vez alcanzada esta energía el haz de protones se dirigió hacia un blanco de berilio donde, al colisionar, se producían piones que volaban libremente a lo largo de unos 21 m, tiempo durante el cual se desintegraban en muones y neutrinos. A continuación se puso una barrera de algo más de 13 m de grosor y 5000 toneladas, hecha con viejas placas de barcos de guerra, en la que se paraban todas las partículas más pesadas excepto los neutrinos, quedando como resultado un haz de neutrinos (asociados a los muones) con energías de hasta 1 GeV.
Lo que detectaron fueron 34 huellas de muones (teniendo en cuenta un fondo de unos 5 muones procedentes de rayos cósmicos). Si los neutrinos fueran los mismos para la desintegración del pión y la desintegración beta, teóricamente, habrían observado unas 29 huellas de electrones, que eran bien conocidas por ellos, y si fueran distintos habrían observado, como mucho, uno o dos huellas de electrones procedentes de la desintegración de kaones tales como K+ → e+ + νe + π0. No se observaron electrones.
Por el descubrimiento del neutrino muónico, Lederman, Schwarz y Steinberger recibieron el premio Nobel en 1988.
Leon Lederman (Fuente: Nobelprize.org)
Mel Schwarz (Fuente: Nobelprize.org)
Jack Steinberger (Fuente: Nobelprize.org)
Ahora sabemos que existen tres tipos de neutrinos. El tercero es el asociado al leptón tau, que es como el muón y el electrón, pero todavía más pesado. Sin embargo, el descubrimiento del neutrino tau, no solucionó todas las incógnitas que tenemos sobre los neutrinos. Todavía nos quedan muchas cosas por conocer, pero esto mejor lo dejamos para otra ocasión.
Referencias
Discovery of the Muon-Neutrino
La Partícula Divina. Leon Lederman y Dick Teresi
Seth H. Neddermeyer and Carl Anderson. Note on the Nature of Cosmic-Ray Particles. Phys. Rev., Vol. 51, 884.
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