El píon: la partícula que revolucionó la física del siglo XX

Esta partícula consiguió explicar por qué los núcleos atómicos no explotaban por la repulsión eléctrica de los protones de su interior, pero hizo mucho más. El pión fue predicho por el japonés Yukawa, dando los primeros pasos en la construcción del futuro Modelo Estándar de la física de partículas.

Cuando aprendemos sobre las propiedades del átomo y de los núcleos atómicos hay una pregunta que suele pasar desapercibida, pero que debería hacer saltar todas nuestras alarmas desde que nos explican aquello de que “las cargas iguales se repelen”. Si en los núcleos atómicos de los átomos más pesados conviven decenas de protones concentrados en un espacio minúsculo, ¿Cómo es que todos esos núcleos no saltan por los aires? ¿Cómo puede haber núcleos estables si los protones deberían repelerse con gran intensidad por tener todos carga eléctrica positiva y estar tan apelotonados?

Nuevas fuerzas

Si en el universo las únicas dos fuerzas que dictaran el comportamiento de las partículas (y como consecuencia de todo lo demás) fueran la gravitatoria y la electromagnética, los núcleos atómicos más pesados que el hidrógeno no podrían existir. En cuanto se juntaran dos protones para formar un núcleo de helio, éste se desintegraría por la repulsión eléctrica mutua de los protones. Y sin embargo existen 92 tipos de átomos estables diferentes en la naturaleza y hemos conseguido sintetizar más hasta llegar a los 118 que componen la tabla periódica a día de hoy. El motivo de que existan átomos más pesados que el hidrógeno y el universo no consista únicamente en nubes de hidrógeno gigantescas o estrellas de puro hidrógeno es la interacción nuclear fuerte. Esta interacción afecta tanto a protones como a neutrones y es capaz de sobreponerse a la repulsión electromagnética.

Esto lo tenemos muy claro ahora porque hace un siglo ya había gente haciéndose estas mismas preguntas. En la década de 1930, el misterio de la cohesión del núcleo atómico desconcertaba a los científicos. Las fuerzas conocidas, la gravedad y el electromagnetismo, no eran suficientes para explicar cómo los protones y neutrones dentro del núcleo podían superar su tendencia a repelerse y conseguían mantenerse unidos. Fue aquí donde el físico japonés Hideki Yukawa, utilizando un profundo conocimiento de la física y una dosis de intuición, propuso una idea revolucionaria alrededor de 1935.

El mesón de Yukawa

A pesar de que nuestro conocimiento no pudiera dar explicación a la estabilidad de los núcleos atómicos, la realidad era que ahí seguían, sin desintegrarse. Por tanto debía haber algo que los mantuviera unidos. El reto estaba en entender qué podía ser eso. Yukawa imaginó la existencia de una partícula que nunca antes había sido vista, una que sería el pegamento esencial del universo en su nivel más fundamental. Sugirió que una nueva fuerza, que más tarde se conocería como la fuerza nuclear fuerte, era la responsable de mantener unidos a los protones y neutrones en el núcleo. Pero, ¿cómo operaba esta fuerza? La respuesta de Yukawa fue tan simple como elegante: a través de una partícula mediadora, a la que llamó «mesón», hoy conocida como «pion». El nombre de mesón lo introdujo Yukawa inspirándose en μέσος (mesos), la palabra griega para “intermedio”, pues esta partícula actuaría como intermediaria entre protones y neutrones, transmitiendo esa intensa atracción que los mantenía unidos. También él propuso el nombre que se le da hoy en día, “pión”. Concretamente él propuso el símbolo para designarlo, π, porque tiene un aspecto similar al kanji que significa precisamente “mediar”, tarea que correspondía al pión.

La idea de Yukawa surgió de una observación astuta. Se dio cuenta de que, al igual que el fotón es el mediador de la fuerza electromagnética, debía existir una partícula similar para la fuerza nuclear fuerte. Sin embargo, esta partícula tenía que ser diferente. Mientras que los fotones no tienen masa, Yukawa postuló que su mesón sí debía tenerla, lo que explicaría por qué la fuerza nuclear fuerte opera solo a distancias extremadamente cortas, a diferencia del alcance teóricamente infinito del electromagnetismo.

Predicho en Japón, descubierto en Bolivia

Lo que hace aún más impresionante este descubrimiento es que Yukawa hizo esta predicción mucho antes de que la tecnología para detectar tal partícula existiera. Su teoría se basaba en cálculos matemáticos y una comprensión profunda de las leyes de la física, pero no tenía pruebas experimentales directas en ese momento.

No fue hasta 1947, más de una década después de la predicción de Yukawa, que los científicos finalmente descubrieron la partícula que él había anticipado, el pión. Este descubrimiento fue un hito crucial, no solo porque confirmó la teoría de Yukawa, sino también porque abrió la puerta a un entendimiento más profundo de las fuerzas fundamentales que rigen el universo. Aquél pión se observó por primera vez en placas de emulsión fotográfica que habían sido dejadas en lo alto de Chacaltaya, una montaña próxima a La Paz, capital de Bolivia.

El pión hoy

La contribución de Hideki Yukawa a la física es monumental. No solo predijo la existencia de una partícula fundamental y una fuerza hasta entonces desconocida, sino que también proporcionó una estructura teórica que seguiría siendo fundamental para futuras investigaciones en física de partículas. Por su trabajo, Yukawa fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1949, convirtiéndose en el primer japonés en recibir un Nobel en cualquier campo de la ciencia. Su trabajo fue uno de los primeros pasos que llevaron a la creación del Modelo Estándar de la física de partículas. A día de hoy consideramos al gluón como el mediador de la interacción fuerte. Esta partícula sin masa se encarga de mediar la interacción entre los diferentes tipos de quarks. Es además capaz de interactuar con otros gluones, por tener éstos carga de color, comportamiento que dificulta enormemente la descripción matemática de esta fuerza. Aunque el gluón es el mediador de la interacción fuerte a nivel más fundamental, el pión pensamos que media una especie de interacción fuerte “residual” o “indirecta” y seguimos considerando que la visión de Yukawa era, más allá de correcciones y sutilezas, correcta. Esta partícula no solo la hemos observado en los aceleradores de partículas y en los laboratorios. Aquella observación inicial en las montañas de Bolivia provenía de piones completamente “naturales”, emitidos por la colisión de los rayos cósmicos con nuestra atmósfera. Más recientemente se han observado también indicadores de la presencia de piones en explosiones de supernova. Estas partículas parecen jugar un papel mucho más importante de lo que su fama entre el público general parecería augurar.