Breve historia de la física de partículas I (1897-1932)

La física de partículas, también llamada física de altas energías, es una de las áreas con más investigación actualmente. Estudia la estructura más básica de la materia y su interacción. Estos bloques básicos que conforman la materia y las interacciones son las que llamamos partículas elementales.  

Aunque muchos empiezan a hablar de la historia de la física de partículas desde la época de Demócrito cunado propone que la materia está constituida de átomos indivisibles, otros prefieren empezar desde que se obtuvo evidencia experimental comprobable de la existencia de que la materia se forma de partículas atómicas.

En esta última corriente me baso para este resumen, empezando desde los experimentos de Thompson hasta llegar al modelo estándar de las partículas que se tiene actualmente.

Partículas clásicas: electrón, protón y neutrón

La primera partícula elemental que se descubrió fue el electrón, que fue descubierta por J. J. Thompson en 1897. Thompson sabía que los rayos catódicos se desviaban en presencia de un campo magnético, así que observó la curvatura de la desviación de estos rayos. Concluyó entonces que los rayos catódicos están compuestos de partículas de carga negativa con una relación carga/masa muy elevada. Además, estas partículas a las que llamó "corpúsculos" formaban parte del átomo, implicando que estos son divisibles. Thompson ideó un modelo atómico en el que los electrones estaban incrustados en una plasta de carga positiva, como las pasas en un pudín.

Este modelo fue refutado por Rutherford con sus experimentos de dispersión. En este, disparó haces de partículas 𝛼, que son núcleos ionizados de helio, a laminas delgadas de oro. Lo que encontró fue que la mayoría de las partículas 𝛼 no se desviaban pero algunas se desviaban en ángulos muy grandes. Rutherford concluyó que las partículas se encontraban con algo muy pequeño, muy duro y muy pesado que se encontraba en el centro del átomo y que ocupaba una fracción de volumen muy pequeña comparada con el tamaño total del átomo. Entonces, el modelo atómico que propuso Rutherford consta de los ligeros electrones de carga negativa orbitando al pesado núcleo de carga positiva. Y para el núcleo de hidrógeno, que es el más ligero, se le dio el nombre de protón.

Pero hubo un problema. Se esperaba que el átomo siguiente más pesado, el helio, fuera dos veces más pesado, pues se suponía que el núcleo de este estaría constituido de dos núcleos de hidrógeno. Pero ocurrió que era cuatro veces más pesado. Y el litio, de tres electrones, era siete veces más pesado. Esto se resolvió introduciendo al neutrón, una partícula de carga cero y de una masa muy similar a la del protón. Fue descubierta en 1932 por James Chadwick observando las emisiones de radiación penetrante del berilio cuando son bombardeadas con partículas 𝛼 de polonio.

Era cuántica: fotones y ondas de materia

Se le denominó "catástrofe ultravioleta" a la falla del electromagnetismo clásico para explicar la emisión electromagnética de un cuerpo en equilibrio térmico con su ambiente. La teoría clásica predecía que un cuerpo negro debería emitir en todos los rangos de frecuencia, Lo que se encontró fue que hay un pico de emisión y que no hay emisión a frecuencias alejadas de este pico. Max Plank resolvió la catástrofe ultravioleta suponiendo que las emisiones se daban en rangos discretos de energía tales que 

$$E=h\nu$$

donde 𝜈 es la frecuencia y h es llamada constante de Plank. 

Plank pensaba que esta cuantización era parte del mecanismo de emisión, pero Einstein argumentó que en realidad la cuantización era parte del campo electromagnético en si mismo, que llamó fotón. Con esta idea, propone en 1905 la formula que explicaba el fenómeno de efecto fotoeléctrico.

$$E\leq h\nu - w$$    

La ultima evidencia experimental que dejo sin dudas sobre el comportamiento corpuscular de la luz fue el efecto Compton, que consiste en el aumento de la longitud de onda cunado de dispersa luz con un electrón libre. Fue descubierto en 1923 por Arthur Compton al dirigir rayos X hacía un bloque de carbón. Al aumentar el ángulo de dispersión, también aumentaba la longitud de onda. Compton explicó esto como un choque de partículas en el que una parte de la energía cinética del fotón se transmitía al electrón. 

La teoría cuántica relativista no fue completada sino hasta 1923, cuando Dirac propone su ecuación para partículas cuánticas relativistas (puedes ver una revisión rápida de las ecuaciones cuánticas relativistas aquí), que la física de partículas da un verdadero salto teórico. Aplicando su teoría a electrones libres se encontró un problema: por cada solución  de energía positiva E, se encontraba otra de energía -E. 

Se abordó el problema desde varias interpretaciones. Dirac pensó en estas soluciones de energía negativa para el electrón como partículas positivas y que estas ya estaban todas ocupadas en un mar de partículas que, junto al principio de exclusión de Pauli, prohibían que los electrones saltaran a energías negativas. También se pensó que estas podían ser protones, pero se descartó pues la masa del protón es casi 2000 veces mayor que la del electrón.

La teoría de Dirac estaba metida en un lio, pues no se sabía de la existencia de ninguna partícula que tuviera las características predichas. Pero en 1932 Carl David Anderson, mientras estudiaba rayos catódicos en su experimento de cámara de niebla, encuentra una partícula con la masa del electrón pero de carga positiva a la que llamó positrón. Este positrón era la partícula cuya existencia había predicho la ecuación de Dirac, la antimateria.

En la parte II se verá el resto de la histora, la cual abarca desde el descubrimiento de los neutrinos y la fuerza débil, el descubrimiento de partículas extrañas, el modelo de quarks, el bosón de Higgs y el modelo estándar actual y los nuevos descubrimientos más allá.