Esas maravillosas partículas – 12/22 – El kaón

Como parte de la serie Esas maravillosas partículas, en la que desentrañamos algunos de los misterios de las partículas subatómicas (fundamentales o no), y después de hablar de un tipo de mesones, los piones, hoy nos dedicarmos a otro mesón: el kaón.

A pesar de que los kaones no tienen un gran efecto directo sobre lo que observamos, ni duran demasiado tiempo, son de una enorme relevancia para la física de partículas, puesto que introdujeron una nueva propiedad de las partículas (además de la carga, masa, etc.): la extrañeza.

Como recordarás de artículos anteriores de la serie, hasta que se empezaron a construir los aceleradores de partículas, con los que se podían generar partículas inestables más o menos a la carta, los físicos se veían obligados a tratar de detectar las que se producían naturalmente (la mayor parte de ellas originadas por los rayos cósmicos en las capas altas de la atmósfera).

Bien, en 1947, G. D. Rochester y C. C. Butler se encontraban haciendo justo eso: tomando fotografías en una cámara de niebla, tratando de detectar partículas generadas por los rayos cósmicos al impactar sobre las moléculas de la atmósfera. Obtuvieron trazas de diversas partículas conocidas, pero también un par de fotografías del recorrido de partículas que no se conocían: una de ellas era una partícula sin carga que se desintegraba en dos piones cargados (uno positivo y otro negativo), y otra partícula, en este caso cargada, que se desintegraba en un pión cargado y otra partícula desconocida sin carga.

Aunque Rochester y Butler no tenían mucha información sobre estas extrañas partículas, sí podían estimar la masa de la partícula cargada, que parecía ser (aunque era una estimación burda) más o menos la mitad de la masa de un protón. Sin más datos experimentales, los físicos estaban simplemente confundidos.

En 1950 se instaló una cámara de niebla en la cima del Monte Wilson (a mayor altitud, mayor facilidad para que las partículas lleguen al detector). Allí se detectaron decenas de estas nuevas partículas, tanto las cargadas como las neutras, y se pudieron determinar sus características con mayor precisión. Hacia 1953 ya se tenía un nombre para ellas: se decidió llamar mesones-L a los muones y los piones, y mesones-K a estas nuevas partículas más pesadas. De ahí que ahora los llamemos kaones.

A estas alturas los científicos estaban acostumbrados a detectar nuevas partículas con cierta regularidad, como ya hemos visto en otras entradas de la serie: unas más pesadas, otras menos, unas cargadas y otras no. Algunas eran estables (las menos) y muchas inestables. Pero estos mesones-K eran extraordinariamente raros, porque no se desintegraban tan rápido como deberían.

Me explico: una de las maneras en las que se producen kaones es cuando un pión choca con un protón (por ejemplo, en el núcleo de un átomo en la atmósfera). La interacción nuclear fuerte entre el pión y el protón produce, en un tiempo cortísimo (unos 10 a la -23 segundos) un par de kaones, que salen despedidos en diferentes direcciones.

Bien, lo lógico sería pensar entonces que estos kaones, a través de la interacción fuerte, se desintegrasen en otras partículas igual de rápido: según salen despedidos en la atmósfera hay multitud de otros protones con los que chocar, por ejemplo. Sin embargo, los kaones vivían un tiempo increíblemente largo: 10 a la -10 segundos. Antes de que te rías y me digas que 0,0000000001 segundos no es un tiempo muy largo, piensa que las estimaciones teóricas eran de 10 a la -23 segundos: diez billones de veces más pequeñas. Es como si se estimase la vida de un ser humano en 100 años y se encontrase una raza que vive una media de mil billones de años, ¡mucho más que la vida del Universo!

¿Por qué tardaban tanto en desintegrarse estas partículas? Al final lo hacían mediante la interacción débil, bastante más lenta que la fuerte, de ahí que tardasen tanto tiempo, pero ¿por qué la interacción fuerte, que los había creado, no era capaz también de destruirlos?

La respuesta la dieron Murray Gell-Mann y Kazuhiko Nishijima: existía un número cuántico nuevo y extraño, el cual no poseían las partículas “normales” pero sí los kaones. Cuando se producía un par de kaones mediante la interacción fuerte, uno de ellos tenía esa propiedad “con signo positivo” y el otro “con signo negativo”. Esa propiedad extraña, que se denominó por eso mismo extrañeza(strangeness) se conservaba: ambas partículas tenían extrañezas opuestas, igual que si se formasen un electrón y un positrón se conservaría la carga.

Pero a la hora de desintegrarse, cada una de esas dos partículas estaba sola en un mundo de partículas “no extrañas”. Al alejarse de su punto de origen, los dos kaones estaban lejos uno del otro, de modo que ¿qué pasaba con la extrañeza si esa partícula se desintegrase de nuevo en partículas “normales”? Sólo podría ocurrir si, por absoluta casualidad, chocase con otro kaón de extrañeza opuesta a la suya y, entonces, se aniquilasen y diesen como resultado partículas normales.

Sin embargo, al contrario que la carga (que se conserva en cualquier interacción), esta extrañeza, haciendo honor a su nombre, se conservaba en cualquier interacción excepto en la débil. De ahí que los kaones sí se desintegrasen al final, cuando la interacción débil (más lenta que la fuerte) hubiera tenido tiempo de actuar, ya que al desintegrarse mediante la fuerza débil la extrañeza podía no conservarse (podía tenerse un kaón de extrañeza +1 que se desintegrase en partículas normales y la extrañeza “desapareciese”).

Desde luego, los científicos se preguntaban qué proporcionaba a esta partícula esa extrañeza y si habría otras (las hay, aunque son aún más infrecuentes que los kaones): en 1964, el modelo quark(desarrollado fundamentalmente por el propio Gell-Mann) incluiría un quark que precisamente confiere esta propiedad, el quark strange (extraño), y que poseen los kaones.

En efecto, un kaón es un mesón (recuerda, un mesón es una partícula formada por dos quarks y, por lo tanto, un bosón) caracterizado por tener un quark strange. Hoy sabemos que hay cuatro tipos de kaones (uno positivo, uno negativo y dos neutros), y todos ellos tienen un quark strange y otro tipo de quark “normal” (up, down…). Todos ellos tienen masas probablemente idénticas, más o menos la mitad que la de un protón.

Y, como hemos dicho al principio, es muy improbable que interacciones con alguno durante tu vida (lo mismo que con otras partículas extrañas de futuras entradas de la serie). Pero eso no hace menos importante el hecho de que los kaones fueron los instigadores de una nueva propiedad de las partículas, un nuevo número cuántico, un nuevo quark y una más amplia comprensión del Universo en su conjunto: puede que tú y yo no toquemos materia “extraña”, pero se piensa que puede haber grandes cantidades de partículas extrañas en el interior de las estrellas de neutrones,_ o incluso que puede haber “estrellas extrañas” compuestas únicamente de este tipo de partículas._

Pero, como hemos dicho, los kaones no son las únicas partículas extrañas: hay otras, y algunas son los primos “extraños” de los protones y los neutrones. Estas partículas (hay más de un tipo) se denominan hiperones, y a ellas estará dedicada la próxima entrada de la serie, los hiperones.

_**Nota: **No hay diagrama de partículas actualizado para este artículo - no hemos tenido tiempo de prepararlo. Probablemente tenga que esperar a la entrada sobre los hiperones. _

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Pedro Gómez-Esteban González. (2009). El Tamiz. Recuperado de: https://eltamiz.com