10.- Interacción débil y bosones virtuales.

Si pensamos que la realidad nos toma el pelo como si fuéramos inocentes pardillos, las partículas virtuales nos aportarán argumentos para convencernos del todo. De un montón de tierra no podemos extraer una montaña ni convertirla después en una mota de polvo y un grano de arena, pero de un quark sí puede salir un bosón veinte mil veces más pesado para desaparecer inmediatamente en la nada, no dejando más residuo que un antineutrino y un solitario electrón. Podemos preguntarnos por qué, pero no encontramos otra respuesta que el principio de indeterminación de Heisenberg. Está claro que las cuentas encajan si lo que aparece de la nada vuelve a desaparecer, pero los bosones virtuales nos hacen una magia demasiado buena, no es fácil contentarse con lo que nos dice el principio de indeterminación.

Las partículas responsables de la interacción nuclear débil son los bosones W y Z. El bosón W- es el que aparece en la desintegración de los neutrones para convertirse en protones, el bosón W+ interviene en el proceso inverso para convertir un protón en un neutrón y, por último, el bosón Z es el responsable de que aparezcan parejas leptón-antileptón, neutrino-antineutrino y quark-antiquark. Por ejemplo, el choque entre dos fotones (sin masa) puede provocar la aparición de una pareja electrón-positrón, y a la inversa, pero entre medias entra en juego el tremendo bosón Z que es más pesado que un átomo de hierro completo.

Recordemos que los leptones son partículas que no pueden ocupar a la vez el mismo espacio u orbital, y que por eso se diferencian por espín semientero como los electrones, cuyo espín puede ser 1/2 y -1/2. Los leptones que pueden derivarse de un bosón Z son electrones, muones y tauones, junto con sus respectivas antipartículas. El bosón W tiene carga eléctrica positiva o negativa, pero el Z es neutro porque siempre decae formando una pareja de partículas con carga opuesta, cuyo resultado es neutro. Por lo tanto, el W+ y el W- son partícula y antipartícula, mientras que el Z es antipartícula de sí mismo.

Se pueden citar 3 formas de convertir un elemento químico en otro diferente: Por fusión o por fisión de átomos, por emisión de partículas alfa (que son núcleos de helio con dos protones y dos neutrones), y por una especie de transmutación que convierte a un protón en un neutrón, o a la inversa. En cualquiera de los casos aparece algún elemento químico diferente porque cambia el número de protones. Ya sabemos que la fusión es más propia de átomos que son más ligeros que el hierro, por esa razón cuando una estrella comienza a formar hierro disminuye sus reacciones de fusión y la gravedad gana la batalla. Al contrario, la fisión nuclear devuelve más energía de la que absorbe a partir de átomos más pesados que el hierro.

Para iniciar una fusión o una fisión se necesita aportar energía previa, pero existen átomos inestables que son radiactivos y emiten partículas de forma natural para convertirse en elementos químicos diferentes, por ejemplo emiten radiación los que resultan de una fisión nuclear o elementos muy pesados que se encuentran en la naturaleza. Entre las desintegraciones naturales se encuentra la emisión de partículas alfa y la transmutación entre protones y neutrones, conocida esta última como desintegración beta de la que ahora nos ocuparemos, pues en ella participan los bosones W.

Al hablar de la desintegración beta nos referimos a la emisión de electrones o bien de positrones, como resultado de neutrones que se transforman en protones, o a la inversa. Los electrones y positrones emitidos tienen su origen en el núcleo atómico, por lo que no se deben confundir con los electrones de los orbitales cuyos niveles de energía son mayores. Un electrón nuclear salta mayor número de niveles de energía que un electrón orbital, y su espectro de emisión refleja una frecuencia de oscilación mayor, es decir, que es arrancado o desprendido con mayor energía porque se encontraba en un nivel inferior, aunque parezca contradictorio.

La estabilidad de los neutrones aislados no va más allá de unos 15 minutos, transformándose de forma espontánea en un protón, un electrón nuclear y un antineutrino electrónico. Pero esa misma desintegración de neutrones, representada al comienzo de este apartado, también ocurre de forma natural en los átomos cuyo número de neutrones es mayor que su límite de estabilidad. Por ejemplo, los isótopos estables del oxígeno son los que tienen entre 8 y 10 neutrones, todos ellos con 8 protones como corresponde a su número atómico, pues en caso contrario no estaríamos hablando de oxígeno. Por ejemplo, un isótopo de oxígeno con 11 neutrones no es estable, de forma que uno de sus neutrones tarda unos 27 segundos en convertirse en un protón, y el resultado es un átomo de flúor porque se ha incrementado en uno su número atómico. El átomo de flúor que resulta es estable con 9 protones y 10 neutrones, lo que suma 19 nucleones como el átomo de oxígeno original.

Al contrario, un isótopo de oxígeno con 7 neutrones también es inestable, pero en este caso tiene un neutrón menos de lo que permite su estabilidad, por lo que ahora es un protón el que se convertirá en un neutrón, y el resultado es un átomo de nitrógeno estable con 7 protones y 8 neutrones, lo que suma 15 nucleones como el átomo de oxígeno original.

Como es evidente, en toda reacción nuclear se conserva el número de nucleones, pero también se conserva la carga eléctrica resultante. Por ese motivo cuando un neutrón se convierte en un protón tiene que emitir un electrón nuclear. Sin embargo, la suma de masas del protón y electrón resultantes no coincide exactamente con la masa de un neutrón, lo que se explica porque el electrón es emitido con una cierta energía cinética, es decir, que también se conserva la suma de masa y energía según la equivalencia de Einstein E = m·c². Aún así, la suma de masas del protón y electrón, añadiendo la energía del electrón, todavía no coinciden exactamente con la masa del neutrón original y por esa razón se predijo que debería ser emitida otra partícula, que sería un antineutrino en el caso de la desintegración de un neutrón y, lógicamente, neutrino en la reacción inversa.

Es importante destacar que la equivalencia de Einstein entre masa y energía, en las reacciones nucleares, no significa que algunas partículas se conviertan íntegramente en energía, pues como se ha dicho se mantiene el número de nucleones y aparecen partículas nuevas como los electrones nucleares y los antineutrinos. Se puede decir que dos isótopos del mismo elemento, con diferente número de neutrones, tienen una masa por nucleón ligeramente diferente, y eso es así porque el isótopo inestable se transforma en otro isótopo estable a costa de emitir partículas con energía, lo que restará masa al núcleo resultante, que es más estable.

En consecuencia con el párrafo anterior, el defecto de masa de un núcleo atómico en su equivalente como m·c² es precisamente la energía de enlace que mantiene unidos a los nucleones, la masa que se obtiene experimentalmente es un poco menor de la esperada por su número másico. Para romper el enlace entre nucleones se necesita aportar tanta energía como el equivalente a su defecto de masa, y por esa misma razón se comprende que los enlaces más fuertes no lo son porque tengan más energía sino al contrario.

El máximo defecto de masa por nucleón está en la zona del hierro o níquel, lo que significa que son los elementos más estables. Por lo tanto, los núcleos más ligeros tenderán a fusionarse con desprendimiento de más energía de la que consumen, pero los núcleos más pesados tenderán a romperse para desprender más energía de la que consumen.

En el cuadro adjunto vemos en primer lugar la desintegración de los neutrones de forma similar a la figura inicial de este apartado. La reacción inversa, en segundo lugar, convierte a un protón en un neutrón emitiendo un positrón y un neutrino. Ya se dijo que los neutrones son inestables en estado libre, porque la suma de masa y energía de los productos resultantes puede igualarse con la del neutrón original. Al contrario, un protón libre será estable porque la suma de masa y energía de los productos resultantes tendría que ser mayor que la del protón original.

Por lo tanto, los protones solo se transforman en neutrones cuando están confinados en el núcleo atómico, pero los neutrones pueden transmutar en estado libre o estando confinados. El neutrón resultante de un protón no podría tener defecto de masa, pero el núcleo de litio que resulta de la desintegración del berilio, según el cuadro anterior, sí puede tener un defecto de masa y encajar las cuentas de conservación de masa y energía. 

La desintegración beta explica que los protones y neutrones se intercambien cuando no están compensados en el núcleo de los átomos, correspondiendo a una interacción débil. Actualmente se acepta que la interacción nuclear fuerte, la que mantiene unidos a los protones y neutrones, también es debida a transmutaciones entre protones y neutrones cuyas reacciones son del siguiente tipo:

Hay que hacer notar que estas reacciones no son más fuertes que las debidas a la desintegración beta, y de hecho se consideran como un residuo de la interacción nuclear débil, una fuerza nuclear fuerte residual… Extraño, pero posible si tenemos en cuenta que la fuerza de la que carecen se compensa con la probabilidad y la frecuencia con la que ocurren, ya que protones y neutrones transmutan continuamente su estado por emisión y absorción de mesones Pi o piones.

En la primera reacción anterior, un neutrón se convierte en protón emitiendo un pión negativo, que es absorbido por otro protón para obtener de nuevo un neutrón, y el balance completo es la causa de una fuerza de atracción. La segunda reacción es muy similar, siendo un protón el que se convierte en un neutrón por la emisión de un pión positivo, que es absorbido por otro neutrón para obtener de nuevo un protón.

Los piones positivos están compuestos por un quark “up” y otro “anti-down”, los piones negativos están compuestos por un quark “down” y otro “anti-up”, y también existe el pión neutro que se descompone normalmente en dos fotones de alta energía.

Hasta el momento se ha dejado claro que todas las reacciones nucleares conservan el total de masa y energía, aunque ambas cosas puedan variar por separado. Sin embargo, las partículas consideradas portadoras como los bosones W y Z, incumplen descaradamente lo que siempre se había creído intocable, aunque sea cierto que su atrevimiento se deja sentir un tiempo muy breve, tan pequeño que la luz apenas recorrería una distancia similar al tamaño de un átomo. En la siguiente figura se muestra en el lado derecho lo que realmente le sucede a un neutrón cuando se desintegra.

El neutrón está formado por un quark “up” de carga +2/3 y dos quarks “down” de carga -1/3, resultando una suma neutra. Uno de los quarks “down” se descompone en un quark “up” y el bosón W- de carga -1, ya que la carga resultante debe coincidir con la del quark “down”. Finalmente se forma un protón con dos quarks “up” y uno “down”, a la vez que el monstruoso bosón W- desaparece dejando como residuo un electrón nuclear y un antineutrino electrónico. Ciertamente se conserva la suma de masa y energía antes y después de la desintegración, pero el gigante W- deja claro que no es así en el proceso intermedio.

La explicación de semejante aberración tiene en cuenta la indeterminación que existe en los estados de las partículas. Es imposible determinar a la vez la posición y la cantidad de movimiento, pero no porque falte la tecnología necesaria sino porque la realidad que se conoce no lo tiene definido a la vez. Si hay una indeterminación en esas dos magnitudes, también la hay en la masa y la energía, de forma que una masa y energía muy grandes puede ser compensado con un tiempo muy pequeño sin desbordar los límites de la indeterminación.

A la mecánica cuántica le salen así las cuentas, pero es evidente que si explicamos por qué se puede sacar una montaña de un montón de tierra según el principio de indeterminación, podemos seguir preguntando cómo se explica el propio principio de indeterminación, ¿o es que deja de ser más extraño que una montaña virtual solo porque sabemos que se cumple y ha pasado a ser parte del conocimiento?

Al menos, lo que sí parece comprensible es que una vida tan corta del bosón W puede explicar por qué la interacción es de tan corto alcance, pues ya se ha dicho que su alcance no podría llegar más allá de los límites de un átomo.

Siguiente entrada.