La revolución que sacudió la física de partículas

A Burton Richter '52, PhD '56, le gusta describir su descubrimiento ganador del Premio Nobel con una canción infantil:

Sam Ting con su equipo en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en 1974.

Ayer, en la escalera, me encontré con un hombre que no estaba allí. Él no estaba allí de nuevo hoy. Desearía que se fuera.

Era 1974, solo dos años después de que Richter y su equipo en el Laboratorio de Aceleradores Lineales de Stanford terminaran de construir un nuevo colisionador de partículas al que llamaron SPEAR. La máquina de 6 millones de dólares aceleró electrones y positrones a través de un bucle de imanes de 80 metros de diámetro y los estrelló en una lluvia de desechos de partículas para analizar. Richter no estaba buscando una partícula nueva, pero allí estaba: un pico alto y estrecho en los datos que indicaba una partícula pesada con una vida útil inusualmente larga. Tanto tiempo, de hecho, siete zeptosegundos, o alrededor de 7.000 billonésimas de segundo, que desafió la comprensión de los físicos de las partículas fundamentales.

Al principio, Richter y otros pensaron que algo andaba mal con el equipo, pero pronto se dieron cuenta de que tenían un descubrimiento entre manos. Nadie esperaba lo que encontramos. Nadie. Fue una completa sorpresa, dice Richter, quien se enganchó por primera vez a la física de partículas después de trabajar en el laboratorio de sincrotrón del MIT durante su primer año en la escuela de posgrado.

Quizás igual de sorprendente, un equipo en el lado opuesto del país encontró simultáneamente lo mismo. En el Laboratorio Nacional de Brookhaven, el profesor del MIT Sam Ting dirigía un experimento que, en cierto modo, era lo opuesto al de Richter. En lugar de aniquilar electrones y positrones, el grupo de Ting estaba estrellando protones en un objetivo fijo de berilio para producir partículas pesadas que luego se descompondrían en electrones y positrones. Coincidentemente, los dos grupos habían puesto sus aceleradores en el mismo rango de energía y tropezaron con el mismo pico inusual en sus datos.

Ulrich Becker, profesor asociado del MIT en ese momento, desempeñó un papel central en el descubrimiento de Brookhaven. Ahora que es profesor emérito, todavía tiene el gráfico original dibujado a mano en su oficina, que muestra ese pico inesperado. Becker dice que aunque su grupo esperaba encontrar partículas pesadas, también se sorprendieron al encontrar una con una vida útil tan larga. No teníamos idea de por qué diablos era esto, dice. Sospechábamos mucho de ello, pero como era tan claro, había muy poco lugar para la duda.

En noviembre de ese año, Ting voló a Stanford para una reunión administrativa y se cruzó con Richter.

Sam dijo: 'Burt, tengo algo emocionante que contarte', recuerda Richter, y yo dije: 'Sam, tengo algo emocionante que contarte'. Uds .’

Cuando los dos investigadores se dieron cuenta de que sus equipos habían hecho el mismo descubrimiento, organizaron un seminario de laboratorio y presentaron sus resultados ese día. En un mes, los grupos publicaron artículos consecutivos en Cartas de revisión física . El grupo de Ting denominó a la nueva partícula J, y el grupo de Richter la llamó Ψ (psi).

Lo sorprendente de la partícula fue que duró unas mil veces más de lo que los físicos habrían predicho en ese momento, lo que significa que había algo en ella que los físicos nunca habían encontrado antes, al menos no en el laboratorio.

Unos 10 años antes, los teóricos habían introducido el concepto de quarks: partículas fundamentales (y antipartículas correspondientes) que se unen para formar otras partículas, como protones y neutrones. Para 1974, los experimentadores habían encontrado evidencia de tres tipos de quarks: arriba, abajo y extraño. Pero un cuarto quark propuesto, el encanto, siguió siendo esquivo.

A principios de 1975, Becker viajó a Alemania para dar una charla sobre la nueva partícula. Asistió Werner Heisenberg, el físico teórico famoso por su trabajo sobre la mecánica cuántica. En un momento, Heisenberg interrumpió a Becker: dijo: 'Siempre que no saben qué es, inventan un nuevo quark', recuerda Becker. Estaba realmente estupefacto. Le dije: 'Mire, profesor Heisenberg, no estoy discutiendo si esto es encanto o no. Te digo que es una partícula que no desaparece. Silencio sepulcral. Hacía mucho frío en la habitación. Entonces Heisenberg dijo: 'Aceptado'.

Los físicos pronto acordaron que la partícula, más tarde llamada J/Ψ, constaba de un quark charm y un quark anticharm.

Ahora conocida como la revolución de noviembre, el descubrimiento de J/Ψ llevó el establo de partículas fundamentales de una colección desordenada a algo estructurado y predecible, descrito por lo que los físicos llamaron el Modelo Estándar. Ting y Richter ganaron premios Nobel en 1976.

Lo que mucha gente ha estado tratando de hacer desde entonces es encontrar lo que está más allá del modelo estándar actual, dice Richter. Hasta ahora, se ha mantenido impermeable a todos los ataques.

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