Del misterio de los kaones al encanto de los quarks: el legado de Mary K. Gaillard

Giovanna Cottin Buracchio

Ultimos publicados:

• Del misterio de los kaones al encanto de los quarks: el legado de Mary K. Gaillard
• Belleza que rompe la simetría del cosmos
• Cómo los muones cientifican a las niñas

Hace unas semanas me enteré del fallecimiento -en mayo de este año y a sus 86 años- de Mary K. Gaillard, una titana de la física teórica de partículas, esa que describe y predice qué le ocurre a la materia dentro de los átomos y qué cosas existen allí. Hoy entendemos que existe una fuerza que mantiene a los núcleos unidos, y otra, que los desintegra. Y estas fuerzas involucran el intercambio de distintas partículas elementales. Estos fenómenos se describen por el llamado Modelo Estándar de Física de Partículas. Pero el consolidar este saber ha requerido de cientos de contribuciones de diversos científicos. Mary K. Gaillard fue una científica clave en entender las propiedades de los constituyentes más básicos de los núcleos: los llamados quarks. Y de uno en particular, encantador, de verdad. El llamado charm (c) quark (o quark "encanto").

Sabíamos de potenciales quarks desde los años '60 por los físicos George Zweig y Murray Gell-Man, quienes, de manera independiente, predijeron los quarks para explicar los distintos números cuánticos (como la carga eléctrica) de las partículas compuestas de quarks. Hoy sabemos que hay seis tipos de quarks en total. Pero el modelo original de Murray tenía sólo tres (los tres que hoy sabemos son los más livianos): los llamados up (u), down (d) y el strange (s). Tuvo que pasar más de una década para convencernos de que existía un cuarto, más masivo, el charm.

A medida que se iba consolidando la existencia de los quarks como partículas reales y no sólo como constructos matemáticos, había una cierta resistencia a que estas partículas tuvieran cargas eléctricas fraccionarias. Esto porque nunca se ha observado una. Hoy entendemos que los quark siempre van juntos (están confinados a los núcleos de los átomos, de hecho, no se ha medido un quark sólo). Los protones, por ejemplo, están hechos de tres quarks, dos tipo up y uno tipo down. Las cargas eléctricas fraccionarias de los quarks dentro del protón se combinan para dar un total de carga eléctrica positiva (de +1).

Mary K. Gaillard, sobreponiéndose a las resistencias, comenzó a estudiar unas partículas bien extrañas llamadas kaones. Literalmente se les llamaba strange particles o "partículas extrañas", ya que su producción de a pares implicaba un nuevo número cuántico llamado strangeness o "extrañeza". Los kaones están compuestos de un quark strange y un anti-down, dando carga eléctrica neta cero para los kaones neutros. Los kaones neutros entonces se pueden desintegrar en otras partículas elementales, como en un muón (con carga -1) y un anti-muón (con carga +1, la antipartícula del muón), respetando la conservación de carga eléctrica en las interacciones de partículas.

Mary K. Gaillard se volvió una referente mundial en física de kaones. La teoría de la época predecía que el proceso de desintegración de los kaones neutros a muones y anti-muones ocurría con una probabilidad pequeña sólo sí existía un cuarto quark tipo charm, que tuviese la misma carga eléctrica que el up quark. Y esta probabilidad dependía de la masa del charm, pero también, de la masa del quark tipo up. Esto ya que los quarks no interactúan únicamente entre ellos formando protones o kaones. También pueden interactuar mediante el intercambio de otras partículas masivas llamadas bosones W. Y estos también se pueden transformar o desintegrar a distintos tipos de quarks. Entonces, el qué tan frecuente ocurre este decaimiento depende de ambas masas, tanto de la masa del up como la del charm. Experimentalmente se medía que este decaimiento estaba efectivamente suprimido.

Pero, Mary K. Gaillard se atrevió a hacer la siguiente pregunta: ¿Por qué el decaimiento de un kaón neutro a dos fotones, si se rige por la misma teoría, no está igual de suprimido en los experimentos? Este decaimiento también preserva la carga eléctrica de los quarks, ya que el fotón no posee carga eléctrica. Y, de existir el charm, se esperaba teóricamente que también fuese pequeña su probabilidad, comparable al decaimiento de kaones a muones y anti-muones. Pero era más grande. Esto era preocupante, ya que podía llegar a cuestionar severamente la construcción de la teoría de la época, que dependía fuertemente de las predicciones que tenía este mecanismo de supresión (conocido hoy como el "GIM mechanism" en física de partículas).

Resolver este misterio en los decaimientos de los kaones y, más aún, convencerse de que las bases teóricas de la época no estaban rotas, conlleva a un arduo y sistemático trabajo de Mary K. Gaillard en el estudio de la física de kaones con charms. Trabajo que particularmente en esa época de la física de partículas dependía indirectamente de las observaciones experimentales, por lo que había que estar muy alerta a cada nuevo resultado.

El trabajo de Gaillard explica porqué el decaimiento de kaones a muón y anti-muón está extremadamente suprimido en la naturaleza y por qué el a dos fotones, no. En el primer caso, el decaimiento depende de la diferencia de las masas entre el up y el charm. Esta diferencia debía ser mucho menor que la masa del bosón W (que se colaba en el decaimiento), y que por la época se asumía (pero aún no se sabía) su masa debía ser mucho mayor a la masa del protón. El estudio del segundo decaimiento conlleva a entender que la masa del up debía ser mucho menor que la masa del charm. Mary K. Gaillard (junto a los físicos Benjamin Lee y Johnatan Rosner) calcularon en el año 1975 esta diferencia, concluyendo que la masa del charm debía ser cerca de 1.5 GeV (en unidades de energía). Es decir, Mary K. Gaillard predijo el valor de la masa del charm quark, ¡tres meses antes de que se descubriera el charm!

En este estudio de los decaimientos de kaones, es la diferencia entre las masas de las partículas la importante, y no únicamente el valor específico de cada masa de manera aislada, sino de cuán distintas son entre sí. Esto a mi me llama mucho la atención; la explicación de fondo es elegante. Haciendo una analogía, es como si la naturaleza supiera que lo que le da realmente forma a la melodía de una canción (frecuencia de decaimientos) depende de la distancia entre las notas, y no de cada nota (masa) por separado.

Gaillard fue capaz de ver lo que otros de sus contemporáneos no vieron, de preguntar lo que otros no se atrevieron, y de estudiar fenómenos y partículas extrañas que a no todos les interesaban. Posteriormente en su carrera, sus contribuciones incluyen la predicción de la masa de un nuevo quark, el quark bottom (b) o beauty (quark "belleza") junto a M.S. Chanowitz y J. Ellis, además de identificar junto a J. Ellis y G. Ross que un gluón -la partícula responsable de mediar las interacciones nucleares fuertes entre quarks- podría ser visto como un evento de tres jets o haces de partículas en colisiones de electrones y positrones. Así fue en efecto cómo se descubrió posteriormente el gluón.

En su autobiografía, Mary K. Gaillard resume sus numerosos descubrimientos detallando honestamente sus contextos. Esta se titula "A Singularly Unfeminine Profession" ("Una profesión singularmente poco femenina") publicada en 2015. El título nace de escuchar ella esas palabras de la boca de un vecino, en respuesta a que ella dijera que quería estudiar Física. Me tope con su libro en la librería del CERN en 2018. El título me llamó en un instante. Lo leí nuevamente antes de escribir estas letras. El legado de Mary K. Gaillard trasciende aún más allá de su ciencia. Nos recuerda que las pasiones no discriminan: nos escogen.