El muón

En la serie Esas maravillosas partículas hemos hablado ya del electrón, el positrón, el protón, el neutrón, los quarks y el fotón y el neutrino. Hoy continuamos hablando de una partícula poco conocida: el muón.

Por si no te acuerdas de lo que hemos visto, aquí tienes el diagrama actualizado con todas las partículas que hemos tratado hasta ahora, incluída la de hoy:

En 1936, el físico Carl Anderson estaba estudiando los rayos cósmicos y catalogando las partículas detectadas. Todas ellas encajaban con las conocidas hasta el momento… excepto una. Anderson observó una partícula de carga negativa, como el electrón, pero mucho más pesada (unas doscientas veces más). Pero ésta no era la primera partícula descubierta por el físico americano – en 1932 ya había descubierto el positrón (dato que desgraciadamente no mencioné en aquel artículo, pero que añadiré cuando la serie esté completa). De hecho, en 1936 recibió el Premio Nobel por descubrir el positrón…y ese mismo año descubrió una nueva partícula.

Al principio, Anderson pensaba que había descubierto una partícula propuesta teóricamente por Hideki Yukawa, el pión (que ya caerá en nuestras fauces más adelante en la serie). Sin embargo, las propiedades de esta misteriosa partícula no coincidían con las del pión. Los físicos estaban desconcertados. El físico Isidor Isaac Rabi, según otros colegas, exclamó “¿Quién ha pedido eso?” en un restaurante, refiriéndose a la nueva partícula.

Sin embargo, ésta era únicamente la primera de una serie de muchas partículas que se irían descubriendo en no demasiados años y que habría que intentar hacer encajar en algún armazón teórico – vamos, un problema. Willis Lamb, otro físico, llegó a decir que “el descubrimiento de una nueva partícula solía ser recompensado con un Premio Nobel, pero a partir de ahora debería ser castigado con una multa de $10.000″.

La partícula recién llegada cambiaría varias veces de nombre. Al principio, puesto que era más pesada que el electrón pero más ligera que el protón, se llamó a la nueva partícula mesotrón, utilizando la raíz griega meso-, “medio”, al estar su masa entre las de las otras dos partículas. Sin embargo, más adelante se descubrieron otras partículas con masa intermedia entre el electrón y el protón, y a todas se las llamó mesones. Para distinguir a ésta de las otras, se la denominó mesón μ (mesón mu), por la “m” griega, ya que había sido la primera partícula “media”.

Pero este nombre también se dejó de utilizar: el mesón μ era distinto de todos los demás en un aspecto muy importante, entre otros – era una partícula elemental, y los otros no. Al final se definieron los mesones como hemos hecho en esta serie, como hadrones formados por dos quarks, de modo que el mesón μ no era realmente un mesón, además de no ser tampoco un bosón como los otros mesones. La “partícula mu” acabó llamándose muón…al menos, por ahora.

El muón es una partícula elemental, es decir, no está formada (que sepamos) por nada más simple, igual que, por ejemplo, el electrón. Tiene espín semientero, es decir, es un fermión, lo mismo que el electrón. No siente la fuerza nuclear fuerte, de modo que no puede formar parte del núcleo de los átomos. Si eres un fiel lector de esta serie, sabes cómo se llama un fermión que no siente la fuerza nuclear fuerte: es un leptón, como el electrón. De hecho, tiene incluso la misma carga que el electrón (su antipartícula, el antimuón, tiene carga positiva, como el positrón).

Pero, ¿en qué se diferencia entonces del electrón? ¡Casi todo es igual! Existen dos únicas diferencias entre ellos, una relativamente importante y otra fundamental. La primera diferencia, que ya hemos mencionado, es la masa: el muón es unas doscientas veces más pesado que el electrón. La segunda es que, a diferencia del electrón, el muón no es estable. ¿Recuerdas el neutrón libre y su vida media de quince minutos? Los muones son muchísimo más fugaces: su vida media es de tan sólo 2 microsegundos. Por eso no vemos muones por todas partes, y por eso en los átomos hay electrones y no muones: el muón es algo así como un súper-electrón inestable. Por cierto, cuando se desintegran suelen hacerlo en un electrón, un antineutrino electrónico y un neutrino muónico, como puedes ver en el siguiente diagrama de Feynman:

Crédito: Wikipedia/DnetSvg (GPL)

Por si te lo estás preguntando, sí, la masa del muón es mucho mayor que la de las partículas resultantes, de modo que éstas tienen una enorme energía cuando son creadas. La otra partícula que ves en el diagrama, además del muón, el electrón y los neutrinos, es un bosón W que aparecerá más adelante en la serie.

¿De dónde salen los muones? Pues no de muchos sitios: para crear un muón hace falta una gigantesca cantidad de energía. De hecho, no existe ninguna reacción nuclear en la Tierra que produzca muones. Los únicos que hay cerca de ti (y sí que los hay, aunque no demasiados) son los que se producen cuando los rayos cósmicos alcanzan la atmósfera. Los rayos cósmicos están compuestos en gran parte por protones de mucha, muchísima energía. Tanta que, cuando chocan con los núcleos de los átomos de la atmósfera, producen lluvias de partículas exóticas, como los piones propuestos por Yukawa. Estos piones duran muy poco tiempo y, tras recorrer tan sólo unos metros, se descomponen en muones y neutrinos.

Podrías pensar que esos muones, producidos en las capas más altas de la atmósfera (a muchos kilómetros del suelo) y con una vida media de sólo 0,000002 segundos, nunca jamás podrían llegar al suelo – y te equivocarías, porque no estarías teniendo en cuenta los efectos relativistas. Si eres asiduo lector de El Tamiz (y si estás leyendo este artículo probablemente lo eres) conoces la serie de Relatividad sin fórmulas: los muones producidos por los rayos cósmicos van tan deprisa que los vemos “en cámara lenta” y son capaces de llegar mucho más lejos de lo que cabría esperar sin la relatividad: deberían desintegrarse tras recorrer sólo unos 600 metros pero, sin embargo, recorren decenas de kilómetros hasta llegar al suelo antes de desaparecer. De hecho, cosas como ésta son una prueba de que la Teoría de la Relatividad Especial no es una “ilusión óptica”: los muones, cuando van muy rápido, viven más de lo que deberían.

Los muones que nos llegan son, en teoría, peligrosos. Piensa que la radiación beta, formada por electrones muy energéticos, es muy peligrosa. Bien, esto es como “súper-radiación beta”…¡menudos pedazos de electrones! Pero, por otro lado, la cantidad de muones producidos en la atmósfera es muy pequeña, de modo que los muones forman parte de lo que se llama “radiación ionizante de fondo“…vamos, lo normal. Esto no quiere decir que si un muón te llega no tenga ninguna posibilidad de producirte, por ejemplo, un cáncer, pero la cantidad de ellos es suficientemente pequeña como para que esta probabilidad sea minúscula.

Los científicos, por supuesto, no quieren depender de la aleatoriedad de los rayos cósmicos y su entrada en la atmósfera para producir muones: los crean ellos mismos. Aceleran hadrones a grandes velocidades y los hacen chocar con otros hadrones, con lo que producen piones que se desintegran y así se obtienen los muones a discreción.

Si tienes imaginación, puedes hacerte la siguiente pregunta: Si los muones son súper-electrones, ¿podrían formar átomos como los electrones, aunque fueran átomos de muy corta vida? Pues sí. De hecho, estos átomos existen (durante mucho menos de un segundo, pero bueno). Por ejemplo, un protón con un muón (en vez de un electrón), es una especie de hidrógeno con más masa…algo así como un isótopo del hidrógeno de muy corta vida, que los físicos llaman muonio, y tiene incluso símbolo, Mu. Estos átomos exóticos duran lo mismo que los muones, claro, de modo que no vas a ver muonio por ahí, pero se utiliza en algunas técnicas espectroscópicas.

De manera que el muón es una partícula fugaz, muy parecida al electrón pero más pesada, y fue la primera de las partículas inestables en ser descubierta. Puede que no esté por todas partes como los electrones o los neutrinos, pero es muy importante, sobre todo por el sopapo que supuso para los físicos cuando les abrió los ojos ante la cantidad de partículas que no habían pensado que podrían existir.

En la próxima entrega, el hermano pesado del electrón y el muón: el tauón.