El señor Steinberger y los neutrinos De izquierda a derecha: Paloma, Mercedes y Jack en el despacho de este último. CERN, 16/10/2009 La sudadera de Jack proclama que es antiguo alumno del Instituto “New Trier”
Mercedes, que estaba en el CERN haciendo un curso para profesores, quería una foto con Jack Steinberger. ¿Por qué?
Jack Steinberger Nació en 1921 como Hans Jakob Steinberger en la pequeña ciudad alemana de Bad Kissingen, no lejos de Frankfurt y Nuremberg. En 1933 los nazis llegaron al poder y al año siguiente Jack y su hermano mayor emigraron a los Estados Unidos gracias a la beca de una organización benéfica. Pudo asistir a la “New Trier High School”en Winnetka, en una zona cercana a Chicago de población acomodada, y en 1938 se reunió en Chicago con el resto de su familia. Jack estudió primero ingeniería química y luego química, graduándose justo al comienzo de la Segunda Guerra Mundial. Al alistarse fue enviado al famoso Radiation Laboratory del MIT (Instituto Tecnológico de Massachussets), donde coincidió trabajando sobre el radar con Julian Schwinger, Edward M. Purcell y otros que también se convertirían en premios Nobel y físicos célebres. Hasta entonces sólo había estudiado un curso introductorio de física en la universidad. Tras la guerra tuvo la oportunidad de seguir estudiando, como muchos veteranos del ejército de los Estados Unidos, y lo hizo en la Universidad de Chicago con profesores de tanto nivel como Enrico Fermi y en compañía de otros alumnos que luego destacarían en la física del siglo XX. Al principio pensó en dedicarse a la teoría, pero terminó como físico experimental de partículas, siendo durante los años 1950 uno de los pioneros de la técnica de la cámara de burbujas. En 1961 comenzó una serie de experimentos en el acelerador AGS del laboratorio de Brookhaven, cerca de Nueva York a raíz de los cuales Jack Steinberger, Mel Schwartz y Leon Lederman recibieron el Premio Nobel de Física de 1988 por el método del haz de neutrinos y la demostración de la estructura de doblete de los leptones mediante el descubrimiento del neutrino muónico. En 1968, Steinberger llegó al CERN, el laboratorio europeo de física de partículas que está cerca de Ginebra y allí continuó con varios experimentos hasta que en 1995 dejó de sentirse con fuerzas para la investigación. Sin embargo, Jack sigue acudiendo cada día a su oficina en el CERN recorriendo en bicicleta los 10 km que hay desde su casa para continuar estudiando física, en particular astrofísica y cosmología, pero también el cambio climático global.
Pero todo eso de los neutrinos, ¿qué es? Ahora ya te puedes imaginar el motivo por el que un profesor de ciencia quiera hacerse una foto con Jack, a quien le prometimos que íbamos a explicar a nuestros alumnos lo que él había hecho. Aquí va nuestro intento:
La física de partículas Si miramos muy de cerca, resulta que la materia y la radiación, todo lo que existe, está hecho de piezas muy, muy pequeñas, las partículas elementales.
Colisiones: el método experimental ¿Y eso cómo lo saben los físicos? En la figura de la derecha tienes un blanco oculto, puede ser rectangular, circular, triangular... Una forma de averiguarlo sería lanzar contra el blanco canicas aceleradas en una rampa... Según cómo reboten podremos adivinar la forma contra la que han chocado. Bueno, pues lo mismo hacen los físicos desde hace unos cien años. Como al llegar al tamaño de los átomos todo es demasiado pequeño para verlo con microscopios, hay que cambiar de táctica y lanzar unas partículas contra otras, a ver que pasa... Así descubrió Rutherford que los átomos tenían núcleo y así se descubrió hacia 1970 que dentro de los protones había otras partículas más pequeñas, los quarks. Aunque los choques de partículas no son igual que los choques de canicas. Si hay energía suficiente se pueden crear nuevas partículas en la colisión. Aunque parezca increíble es como si al hacer chocar dos fresas salieran plátanos, peras, bellotas, incluso otras fresas...
Los ingredientes del Universo Mediante este método tan curioso, los físicos han descubierto que los ingredientes básicos del Universo son un puñado de partículas elementales. Todo está hecho de ellas... Por un lado están las partículas materiales: los quarks y los leptones y por otro las partículas a través de las cuales se relacionan las demás; las partículas transmisoras de las fuerzas o interacciones. Para empezar, toda la materia que nos rodea está hecha de electrones (que son leptones) y de dos tipos de quarks: u y d, más otro puñado de partículas, como los fotones, γ (que dan lugar a las fuerzas entre partículas cargadas y además es de lo que están hechas la luz y la radiación electromagnética en general) y los gluones, g, que mantienen unidos a los quarks (formando, por ejemplo el protón, que tiene dos quarks u y uno d: uud y el neutrón cuya composición es udd). ¡Y aún nos faltan unos pocos ingredientes!
Aquí se ve en acción la famosa fórmula de Einstein, E = mc2. ¡La energía se transforma en materia cada día en muchos aceleradores por todo el mundo! ...y por todas partes a lo largo y lo ancho del Universo, constantemente...
Los neutrinos
pión
Todavía nos queda hablar del neutrino (ν), que participa junto con las partículas W y Z en las reacciones nucleares y en la radioactividad beta, por ejemplo. Lo mencionamos aparte porque es un bicho raro, ya que que su interacción con las partículas de la materia ordinaria es mínima. Por ejemplo, hay neutrinos procedente del corazón del Sol que son capaces de atravesar toda la Tierra como si fuera transparente. Los que se pueden detectar traen información sobre el núcleo de las estrellas, que están a decenas de millones de grados... Cada segundo, decenas de billones de estos neutrinos te atraviesan, y tú tan tranquilo... A los físicos (bueno, a uno llamado Pauli) se les ocurrió predecir la existencia del neutrino hacia 1931 cuando en la radioactividad beta parecía no cumplirse una de sus leyes neutrino muón favoritas; la conservación de la energía. Como a veces parecía faltar energía y eso no puede ser, le echaron la culpa a una partícula invisible, el neutrino, que se llevaría la cantidad “perdida”. Algo más tarde, en la segunda mitad de los años 1940, se estudiaron procesos como el representado por la figura de arriba: Un pión es un tipo de partícula subatómica no elemental que, como muchas otras, no pión vive eternamente. Al cabo de unos 0,000 000 02 segundos se desintegra de forma espontánea y se convierte en otra u otras partículas. En la foto de la izquierda se pilló a un pión cambiando bruscamente de dirección y convirtiéndose en un muón (que es otra partícula elemental). Pero eso no puede suceder; nada puede cambiar de muón dirección sin motivo (como una fuerza). Sin embargo, si le echamos la culpa a un neutrino, todo cuadra... Lo que ha pasado es que el pión se ha desintegrado en pleno vuelo en un muón y un neutrino, pero el neutrino, que no tiene carga, no sale en la foto (tomada en una cámara de burbujas, donde sólo las partículas cargadas pueden dejar su rastro).
Los experimentos de Schwartz, Steinberger y Lederman Según lo dicho, hacer experimentos con neutrinos, que no se hablan con casi con nada, es muy difícil. Ahora, por ejemplo, hay uno que tiene lugar en un cilindro de unos 40 m de diámetro y 42 de altura relleno con 50 000 toneladas de agua y que es atravesado por cantidades mareantes de neutrinos (pasan decenas de billones por metro cuadrado cada segundo) pero sólo registra un puñado de interacciones con ellos cada día. Aún así, estos físicos lograron fabricar un haz (un “chorro” estrecho) de neutrinos haciendo chocar protones acelerados de alta energía contra un blanco de berilio. A partir de la energía de la colisión (¡otra vez E = mc2!) surgía una mezcla de muchas partículas, como neutrones, protones, antiprotones) y, sobre todo, piones, que se desintegran en vuelo como hemos visto antes, dando lugar a neutrinos. Así se obtiene un haz de partículas surtidas que se filtra haciéndolo pasar por más de diez metros de acero que sólo los neutrinos son capaces de atravesar. ¿Y qué hicieron con el haz de neutrinos? Obligarlo a chocar con otro blanco (el método favorito de los físicos de partículas). El resultado de este experimento concreto fue la demostración de que, así como el electrón tiene un doble misterioso llamado muón (casi igual que él pero de mayor masa) y que no existe en la materia ordinaria, también hay dos tipos de neutrinos, uno asociado al electrón y otro al muón... Como dijo un físico: ¿quién ha pedido eso?