El electr¨®n cumple 100 a?os

En el descubrimiento del electr¨®n por J. J. Thomson hace 100 a?os hab¨ªa una doble iron¨ªa. En primer lugar, m¨¢s que un triunfo del virtuosismo experimental, el descubrimiento fue un triunfo de ideas te¨®ricas preconcebidas. Cuando le fue concedida la c¨¢tedra de f¨ªsica experimental en el Cavendish Laboratory, la reputaci¨®n de Thomson se deb¨ªa en gran medida a su trabajo matem¨¢tico; uno de sus ayudantes recordaba que "J. J. era muy torpe con los dedos y consider¨¦ necesario no animarle a manejar los intrumentos". La medici¨®n crucial que realiz¨® en 1897 de la relaci¨®n entre la masa y la carga de la part¨ªcula que compone los rayos-cat¨®dicos no fue tan exacta como las mediciones hechas m¨¢s o menos al mismo tiempo por Walter Kaufmann en Berl¨ªn.Pero Thomson hab¨ªa sido educado en la tradici¨®n intelectual atom¨ªstica de Newton, Prout y Dalton, y le parec¨ªa natural partir de la observaci¨®n de que la relaci¨®n entre la masa y la carga de la part¨ªcula del rayo cat¨®dico era peque?a a la vez que independiente del material del c¨¢todo desde el que es emitida para concluir que esta part¨ªcula era el componente b¨¢sico de los ¨¢tomos, "la sustancia a partir de la cual se construyen los elementos qu¨ªmicos".

Quiz¨¢ el mayor logro de Thomson como experimentador fue su demostraci¨®n, llevada a cabo dos a?os despu¨¦s, de que las part¨ªculas emitidas desde las superficies met¨¢licas durante los efectos fotoel¨¦ctricos y termoel¨¦ctricos tienen la misma relaci¨®n entre la masa y la carga que la part¨ªcula de los rayos cat¨®dicos. Esto apoyaba su afirmaci¨®n seg¨²n la cual todas estas part¨ªculas son la misma. M¨¢s o menos por entonces, los f¨ªsicos empezaron a llamar a esta part¨ªcula con un nombre prestado de la teor¨ªa de la electr¨®lisis: el electr¨®n.

Thomson tambi¨¦n realiz¨® una medici¨®n poco precisa de la carga el¨¦ctrica del electr¨®n, de la que se pod¨ªan deducir inmediatamente las cargas de los iones, ¨¢tomos que han ganado o perdido uno o m¨¢s electrones. Junto a mediciones anteriores de relaciones entre masa y carga de iones en la electr¨®lisis, proporcion¨® valores para las masas de los iones y, por tanto, tambi¨¦n para las de los ¨¢tomos que coincid¨ªan con las deducidas por otros medios.

?sta es una segunda y mayor iron¨ªa: el descubrimiento del electr¨®n contribuy¨® a establecer la existencia de ¨¢tomos, pero como los electrones pod¨ªan ser separados de los ¨¢tomos, este descubrimiento tambi¨¦n demostr¨® que los ¨¢tomos no eran lo que siempre se crey¨®: no son los componentes indivisibles de la materia. Como dir¨ªamos hoy, no son part¨ªculas elementales.

Entonces, ?cu¨¢les son las part¨ªculas elementales? Cuando en 1911 se descubrieron los n¨²cleos at¨®micos en el laboratorio de Ernest Rutherford, se supuso que no eran elementales, en parte porque se sab¨ªa que algunos n¨²cleos radiactivos emiten electrones y otras part¨ªculas, y tambi¨¦n porque todas las cargas y las masas nucleares se pod¨ªan explicar partiendo de que los n¨²cleos est¨¢n compuestos de dos tipos de part¨ªculas elementales: electrones ligeros con carga negativa y protones pesados con carga positiva.

En los a?os veinte, la idea de que toda la materia se compone de s¨®lo dos tipos de part¨ªcula elemental se extendi¨® y adquiri¨® una fuerza que hoy cuesta entender. Por ejemplo, cuando en 1932 James Chadwick descubri¨® el neutr¨®n el¨¦ctricamente neutro, se supuso que se trataba de un objeto compuesto de un prot¨®n y un electr¨®n.

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

Esto no era m¨¢s que el principio de un gran aumento en la lista de las llamadas part¨ªculas elementales. La primera nueva part¨ªcula que fue descubierta fue el positr¨®n, la antipart¨ªcula del electr¨®n. En la teor¨ªa del electr¨®n de Paul Dirac de 1928-30, el positr¨®n aparece como un agujero en un mar de electrones de energ¨ªa negativa, pero hoy esta interpretaci¨®n se ha quedado obsoleta y el positr¨®n es considerado como una part¨ªcula por derecho propio.

El mu¨®n (una especie de electr¨®n pesado) fue a?adido a la lista en 1937 (aunque su naturaleza no se conoci¨® hasta tiempo despu¨¦s), y part¨ªculas fuertemente interactivas llamadas piones, kaones e hiperones se descubrieron a finales de los a?os cuarenta. La part¨ªcula poco interactiva llamada neutrino hab¨ªa sido propuesta en 1930, pero no fue detectada hasta 1955. Luego, a finales de los cincuenta, la utilizaci¨®n de aceleradores de part¨ªculas y de c¨¢maras de burbujas empez¨® a revelar u?a gran variedad de nuevas part¨ªculas fuertemente interactivas, entre ellas primos m¨¢s pesados de los piones, kaones, nucleones e hiperones.

Los te¨®ricos, bas¨¢ndose en el principio de que aunque haya m¨¢s de dos tipos de part¨ªcula elemental, en realidad no deber¨ªa haber muchas, especularon con la posibilidad de que la mayor parte de estas part¨ªculas fueran compuestos de unos cuantos tipos de part¨ªculas elementales. Pero, ?c¨®mo se pod¨ªa decir si el electr¨®n o cualquiera de estas part¨ªculas se encuentra entre las que son elementales? En cuanto se plante¨® esta pregunta, qued¨® claro que la antigua respuesta -que las part¨ªculas son elementales si no se les puede quitar nada- era inexacta. Los electrones y positrones son creados en colisiones de electrones entre s¨ª o con n¨²cleos at¨®micos, pero no podemos considerar como si hubieran salido del electr¨®n. Los piones se crean cuando los protones chocan entre s¨ª y los protones y antiprotones se crean cuando los piones chocan entre s¨ª: entonces, ?cu¨¢l est¨¢ compuesto de cu¨¢l?

En los a?os cincuenta, algunos te¨®ricos transformaron este dilema en un principio conocido como "democracia nuclear", seg¨²n el cual cualquier part¨ªcula puede ser considerada como un estado combinado de otras part¨ªculas cualesquiera, con tal de que se respeten las leyes de conservaci¨®n. Este punto de vista qued¨® reflejado d¨¦cadas m¨¢s tarde en una conferencia ante la Sociedad F¨ªsica Alemana por Werner Heisenberg, que record¨®: "En los experimentos de los a?os cincuenta y sesenta... se descubrieron muchas part¨ªculas nuevas con vida larga y corta y no se pudo dar una respuesta clara a la cuesti¨®n sobre c¨®mo estaban compuestas estas part¨ªculas, ya que esta cuesti¨®n ya no tiene un significado racional. Por ejemplo, un prot¨®n podr¨ªa estar formado por un neutr¨®n y un pi¨®n o por un hiper¨®n Lambda y un ka¨®n, o a partir de dos nucleones y un antinucle¨®n... Por consiguiente, la diferencia entre part¨ªculas elementales y compuestas ha desaparecido b¨¢sicamente. Y eso es sin duda el descubrimiento m¨¢s importante de los ¨²ltimos 50 a?os".

Mucho antes de que Heisenberg alcanzase esta conclusi¨®n bastante exagerada, se hab¨ªa extendido un tipo de definici¨®n diferente de la part¨ªcula elemental. Desde la perspectiva de la teor¨ªa cu¨¢ntica de campos, desarrollada por Heisenberg, Pauli y otros en el periodo entre 1926 y 1934, los ingredientes b¨¢sicos de la naturaleza no son part¨ªculas, sino campos; el fot¨®n es un cuanto de energ¨ªa del campo electromagn¨¦tico, y el electr¨®n es un cuanto de energ¨ªa de un campo diferente, llamado el campo electr¨®nico.

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

No importa que la part¨ªcula 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 definici¨®n cuando se conocen las ecuaciones de campo, pero durante mucho tiempo, los f¨ªsicos no las conocieron, excepto en el caso de la electrodin¨¢mica cu¨¢ntica, la teor¨ªa de los electrones, positrones y fotones.

La falta de una v¨ªa estrictamente emp¨ªrica para distinguir las part¨ªculas compuestas y las elementales no significa que esta distinci¨®n no sea ¨²til. En los a?os setenta, la distinci¨®n entre part¨ªculas elementales y compuestas pareci¨® quedar mucho m¨¢s clara con la aceptaci¨®n general de una Teor¨ªa Cu¨¢ntica de Campos de las part¨ªculas elementales conocida como el Modelo Est¨¢ndar. Describe campos de quarks (los componentes de nucleones, hiperones, piunes y dem¨¢s); de leptones (el electr¨®n, el mu¨®n y el tau, descubierto m¨¢s recientemente; junto con tipos asociados de neutrinos) y del fot¨®n y 11 part¨ªculas similares -los ocho gluones que producen las fuerzas fuertes que mantienen unidos a los quarks en los nucleones; y las part¨ªculas W +, W- y Z? que producen las fuerzas d¨¦biles responsables de los procesos radioactivos relacionados con los neutrinos-.

As¨ª, al menos de momento, ¨¦stas son las part¨ªculas elementales: los quarks, los leptones y el fot¨®n y sus hermanos. El prot¨®n y el neutr¨®n y los cientos de part¨ªculas altamente interactivas descubiertas despu¨¦s 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 as¨ª aparecen en la teor¨ªa.

La masa

El aspecto del Modelo Est¨¢ndar que queda por aclarar es el mecanismo que da a las part¨ªculas elementales su masa. En las versi¨®n m¨¢s simple del modelo, estas masas dependen de constantes que especifican la fuerza de la interacci¨®n de las diferentes part¨ªculas con una nueva clase de campo que se extiende por el universo, pero estas constantes s¨®lo son par¨¢metros libres de la teor¨ªa.A falta de mejores ideas, ser¨ªa m¨¢s natural esperar que todas estas constantes sean aproximadamente iguales a la constante que especifica la fuerza de la interacci¨®n entre el electr¨®n y otras part¨ªculas con carga y el campo electromagn¨¦tico, es decir, a la carga del electr¨®n. En este caso, todas las part¨ªculas elementales tendr¨ªan masas que son iguales a cero o m¨¢s o menos iguales a las masas de las part¨ªculas W +, W- y Z?. Ese no es ni mucho menos el caso dado que casi todas las part¨ªculas elementales son m¨¢s ligeras que las ¨¦stas. Concretamente, la m¨¢s ligera de las part¨ªculas elementales es el electr¨®n; su masa es 180.000 veces menor que la masa de Z?. Nadie sabe de d¨®nde proviene una cantidad de esas dimensiones. Desde este punto de vista, el electr¨®n es la m¨¢s misteriosa de todas las part¨ªculas elementales.

A trav¨¦s de esta serie de descubrimientos, el electr¨®n ha mantenido su categor¨ªa de part¨ªcula elemental, pero ahora es conocido como uno de los tres leptones con carga el¨¦ctrica. 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 m¨¢s ligero de los tres y, por lo tanto, es estable. No hay indicios de que los electrones desempe?en un papel m¨¢s b¨¢sico en las leyes de la f¨ªsica que los otros leptones o los quarks.

El ¨¦xito de la Teor¨ªa Cu¨¢ntica de Campos y del Modelo Est¨¢ndar aporta una interesante aclaraci¨®n de anteriores ideas sobre el electr¨®n. Dirac, en su traba o sobre Mec¨¢nica Cu¨¢ntica relativista de 1928, lleg¨® a la conclusi¨®n de que los electrones deben de tener un momento angular determinado, o esp¨ªn, equivalente a un medio en las unidades naturales en la f¨ªsica at¨®mica. El hecho de que el electr¨®n tiene un esp¨ªn de un medio hab¨ªa sido descubierto hac¨ªa unos a?os pero todav¨ªa era bastante misterioso, as¨ª que esta predicci¨®n se consider¨® un gran ¨¦xito.

Ni siquiera ahora se reconoce siempre que, aunque la teor¨ªa de Dirac fue un gran paso adelante en nuestro conocimiento del electr¨®n, su idea sobre el esp¨ªn del electr¨®n era incorrecta. El an¨¢lisis de Dirac no se basaba en ninguna propiedad especial del electr¨®n, sino que supon¨ªa ¨²nicamente que se trata de una part¨ªcula elemental, lo cual llev¨® a Dirac a considerar t¨¢citamente que implicaba que deb¨ªa describirse mediante una generalizaci¨®n relativista de la mec¨¢nica ondulatoria no relativista de Schroedinger.

Como se?al¨® Dirac, esto efectivamente generar¨ªa probabilidades negativas si una part¨ªcula elemental tuviera alg¨²n otro esp¨ªn aparte del de un medio, as¨ª que el razonamiento de Dirac llevar¨ªa a la conclusi¨®n de que todas las part¨ªculas elementales deben tener un esp¨ªn de un medio. Pero ahora conocemos otras part¨ªculas como el W +, el W- y el Z' (as¨ª como part¨ªculas sin masa como el fot¨®n y los gluones) que parecen exactamente tan elementales como el electr¨®n, pero tienen un esp¨ªn de uno en vez de un esp¨ªn de un medio. El problema con el razonamiento de Dirac es que la mec¨¢nica cu¨¢ntica relativista no necesita ser formulada como una generalizaci¨®n relativista de la mec¨¢nica ondulatoria; la teor¨ªa cu¨¢ntica de campos ofrece un planteamiento m¨¢s general que sirve para part¨ªculas elementales de cualquier esp¨ªn.

El ¨¦xito del Modelo Est¨¢ndar podr¨ªa haber marcado el final de la historia de la identificaci¨®n de part¨ªculas elementales, pero desde finales de los a?os setenta, nuestro conocimiento de la teor¨ªa cu¨¢ntica de campos ha dado otro giro. Hemos conseguido entender que las part¨ªculas pueden ser descritas a energ¨ªa suficientemente baja por campos que aparecen en las llamadas teor¨ªas cu¨¢nticas de campos efectivas, independientemente de que estas part¨ªculas sean verdaderamente elementales.

Por ejemplo, aunque los campos del nucle¨®n y del pi¨®n no aparecen en el Modelo Est¨¢ndar, podemos calcular las relaciones de procesos en los que intervienen piones y nucleones hipoenerg¨¦ticos utilizando una teor¨ªa cu¨¢ntica de campos efectiva de piones y de nucleones en vez de campos de quarks y de gluones. En esta teor¨ªa de campos, los piones y los nucleones parecen elementales, pero los n¨²cleos no. Cuando utilizamos una teor¨ªa de campos de esta forma, simplemente invocamos los principios generales de las teor¨ªas cu¨¢nticas relativistas, junto con cualquier simetr¨ªa relevante. En realidad, no hacemos ninguna suposici¨®n sobre las estructuras fundamentales de la f¨ªsica.

Desde este punto de vista, s¨®lo podemos decir que los quarks y gluones as¨ª como el fot¨®n, W+, W-, Z? y el electr¨®n y otros leptones son m¨¢s elementales que los nucleones y los piones, porque sus campos aparecen en una teor¨ªa, la del Modelo Est¨¢ndar, que se aplica a una variedad mucho m¨¢s amplia de energ¨ªas que la teor¨ªa de campos efectiva que describe nucleones y piones hipoenerg¨¦ticos. No podemos llegar a ninguna conclusi¨®n. definitiva sobre el car¨¢cter elemental de los quarks ni sobre la de los gluones, ni siquiera sobre la de los mism¨ªsimos electrones. El Modelo Est¨¢ndar probablemente no es m¨¢s que una Teor¨ªa Cu¨¢ntica de Campos efectiva que sirve como aproximaci¨®n a alguna teor¨ªa m¨¢s b¨¢sica cuyos detalles ser¨ªan revelados a energ¨ªas mucho m¨¢s altas que las disponibles en los aceleradores modernos y que quiz¨¢ no est¨¦n relacionadas en absoluto con campos de quarks ni de leptones.

Mucha energ¨ªa

Los experimentos demuestran que la fuerza del campo magn¨¦tico del electr¨®n es de 1.001159652188(4) unidades at¨®micas naturales, mientras que la electrodin¨¢mica cu¨¢ntica da un valor de 1.00115965214(3). Esta espectacular coincidencia demuestra que, si los electrones son part¨ªculas compuestas, las energ¨ªas implicadas en su composici¨®n deben de ser mucho mayores que cualquiera de las energ¨ªas probadas en los experimentos de alta energ¨ªa actuales.Puede que no seamos capaces de dar una respuesta definitiva a la cuesti¨®n de qu¨¦ part¨ªculas son elementales hasta que no tengamos una teor¨ªa final de la fuerza y la materia. Cuando tengamos esa teor¨ªa, quiz¨¢ descubramos que las estructuras elementales de la f¨ªsica no son en absoluto part¨ªculas. Muchos te¨®ricos creen que la teor¨ªa fundamental es una especie de teor¨ªa de supercuerdas, en la que el electr¨®n, los quarks y dem¨¢s no son m¨¢s que modos de vibraci¨®n de baja frecuencia de las cuerdas. Desde el punto de vista de la teor¨ªa de, las supercuerdas, campos como el electromagn¨¦tico y el campo del electr¨®n no son fundamentales, sino que aparecen ¨²nicamente en una descripci¨®n aproximada de fen¨®menos, v¨¢lidos para energ¨ªas demasiado bajas como para provocar los modos de vibraci¨®n m¨¢s altos de la cuerda.

Se puede sacar una conclusi¨®n. La tarea de los f¨ªsicos no es dar respuesta a una serie de cuestiones fijas sobre la naturaleza, como la de decidir qu¨¦ part¨ªculas son elementales. No sabemos de antemano cu¨¢les 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 F¨ªsica en la Universidad de Tejas, Austin. Reproducci¨®n autorizada de Nature Vol. 386 Pag. 213. oc 1997 Macmillan Magazines Ltd.