Algunas anécdotas de Murray Gell-Mann, Premio Nobel de Física de 1969

El vídeo que abre esta entrada es la charla Google Talk de Murray Gell-Mann, Premio Nobel de Física en 1969, famoso entre el público general por haber llamado quarks a las partículas elementales que forman el protón y el neutrón. El vídeo nos cuenta muchas anécdotas sobre su vida y obra, con un tono divertido (la charla dura 38 minutos y el resto son preguntas del público). Murray es una leyenda viviente de la física contemporánea. Algunos le llaman “el hombre de los cinco cerebros” (“The Man With Five Brains”): con 15 años se matriculó en la Universidad de Yale, con 21 era doctor por el MIT (su director fue Victor Weisskopf), dicen que habla 13 idiomas de forma fluida y ha investigado en temas tan diversos como arqueología, ornitología, psicología, evolución de los idiomas, teoría de la complejidad y, como no, muchas ramas de la física teórica. Las anécdotas que nos cuenta en su charla del 14 de marzo de 2007 y algunas más aparecen descritas en su artículo: Murray Gell-Mann, “Some Lessons from Sixty Years of Theorizing,” International Journal of Modern Physics A 25: 3857-3861, 2010. Para los que no tengan acceso a esta revista y tengan dificultades con el inglés oído, quizás les interese el resumen de Lubos Motl, “Google talk: Murray Gell-Mann,” The Reference Frame, August 08, 2007. Lubos describe en detalle las preguntas que le hacen a Murray y sus respuestas, con énfasis en las que tratan de teoría de cuerdas y supersimetría.

Entre las anécdotas de su vida pública, no científica, destacaría la siguiente. “Hace algunos años una gran empresa me pagó por una breve aparición en un anuncio de televisión. Yo no tenía que alabar a la empresa ni siquiera mencionarla. Todo lo que tenía que hacer era animar a la gente a preguntarse: “¿Por qué no?” El anuncio fue un gran éxito y fue repuesto el año siguiente. De acuerdo con las reglas de la Sociedad General de Autores me volvieron a pagar mis honorarios y volví a pertenecer durante un segundo año al Gremio de los Actores de la Pequeña Pantalla. La empresa me pidió que visitara su sede y diera una charla a los empleados; fue retransmitida por su intranet a todos sus empleados en el mundo entero. El tema era, por supuesto, preguntarse “¿Por qué no?” La empresa era Enron.” Como supongo que ya sabrás, Enron está considerada “la empresa que estafó a América.” Enron era una empresa del sector energético que empleaba a más de 21.000 personas en 2001 y llego a ser la séptima empresa de los EE.UU., justo antes de acabar en bancarrota a finales de 2001. Si alguien está interesado en el anuncio, youtube nos lo recuerda. Murray aparece solo un momentito.

En 1947 se conocían pocas partículas elementales. El protón y el neutrón era partículas con espín 1/2 (fermiones) muy parecidas entre sí, por lo que se agrupaban como una sola partícula, el nucleón, con dos estados diferentes de una propiedad llamada isospín (1/2 para el protón y -1/2 para el neutrón). También se conocían los tres piones que eran partículas con espín 1 (bosones) muy parecidas entre sí y agrupadas en un trío de partículas con isospín 1, 0 y -1. También se conocían dos leptones, el electrón y el muón, y se había predicho un tercero, el neutrino (electrónico). En 1947 se descubrió el primer hiperón. En 1953 Gell-Mann introdujo un nuevo número cuántico además del espín y del isospín, llamado extrañeza (Gell-Mann era miembro desde 1952 del grupo de investigación de Enrico Fermi en la Universidad de Chicago). El nucleón y los piones tendrían extrañeza cero y los hiperones un valor distinto de cero (hoy sabemos que la extrañeza indica el número de quarks/antiquarks estraños (s) en la partícula). Nos cuenta Gell-Mann: “Introduje la extrañeza en contra de la idea que me habían enseñado, según la cual una partícula con espín semientero tiene isospín semientero (los nucleones) y una con espín entero tiene isospín entero (los piones). Me dí cuenta de que no había ninguna razón física para que fuera así, aunque todo el mundo creyera que así debía ser.”

En 1960 ya se conocían partículas con extrañeza 0, 1, y 2. Gell-Mann introdujo la “vía óctuple” (Eightfold Way), que ahora llamamos simetría SU(3) de sabor (el 3 corresponde a los tres quarks de menor masa, u, d y s). El modelo fue propuesto también por Yuval Ne’eman. Gell-Mann predijo la existencia de una nueva partícula con extrañeza 3; fue capaz de predecir su masa (fórmula de Gell-Mann y Okubo) y dicha partícula fue descubierta en 1964 (el hiperón Ω). Su predicción teórica le valió el Premio Nobel de Física. ¿Por qué funciona la “vía óctuple” para explicar los hadrones (bariones y mesones)? En 1964, Gell-Mann y de forma independiente George Zweig introdujeron el modelo de los quarks. Tres partículas llamadas arriba (up), abajo (down) y extraño (strange) formaban parte de los hadrones. Tríos para los bariones (los nucleones y los hiperones) y parejas para los mesones (los piones, los kaones, etc.). Nos cuenta Gell-Mann: “La idea de los quarks tuvo una fuerte oposición por tres razones: (i) el neutrón y el protón eran partículas elementales y no estaban hechos de cosas más simples; (ii) las partículas elementales no tienen una carga eléctrica que sea una fracción de la carga eléctrica del protón; y (iii) las partículas elementales no pueden estar confinadas dentro de objetos como el neutrón y el protón, sin posibilidad alguna de emerger de forma libre. Hoy sabemos que ninguna de estas prohibiciones es cierta.” Por cierto, Gell-Mann no envió el artículo con su propuesta de los quarks a Physical Review Letters porque pensaba que sería rechazado, así que prefirió una revista europea de menor prestigio, Physics Letters. Los quarks fueron observados, indirectamente, en 1968 en los experimentos del SLAC.

En 1964 no se había observado la desintegración de un muón en un electrón y un fotón. Esta desintegración parecía que estaba prohibida, por lo que se pensó que tendría que haber un segundo neutrino asociado al muón (en la línea de la teoría de corrientes débiles propuesta por Gell-Mann y Feynman en 1958). La idea de que había dos neutrinos, otros dos leptones (electrón y muón), y tres quarks llevó a James Bjorken y Sheldon Glashow a sugerir la existencia de un cuarto quark llamado encanto (charm) y una simetría SU(4) de sabor. La idea no fue tomada en serio hasta 1970, cuando Sheldon Glashow, John Iliopoulos y Luciano Maiani le dieron una base teórica firme (gracias a la teoría electrodébil). La primera partícula con encanto, el mesón J/ψ, fue descubierto en 1974 por el Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), liderado por Burton Richter, y por el Brookhaven National Laboratory (BNL), liderado por Samuel Ting. Nos cuenta Gell-Mann: “¿Por qué me costó aceptar la idea del encanto? Sabía que dos neutrinos eran la mejor explicación de la ausencia de la desintegración del muón en un electrón y un fotón. Sabía que la teoría de las corrientes débiles parecía correcta y reforzaba la idea de que había dobletes de partículas. Pero pensaba que la carga eléctrica era resultado de una simetría descrita por un grupo de Lie simple o semisimple, no por un factor U(1), por lo que la suma de las cargas de los quarks tenía que ser cero. Con solo tres quarks la idea funcionaba bien: 2/3 -1/3 – 1/3 = 0. Pero el añadir el quark encanto, con una carga de 2/3, arruinaba esta idea. Ahora puede parecer una estupidez, pero en aquella época me pareció una buena idea. Con la teoría de la carga de color de los quarks, el encanto funcionaba estupendamente ya que 3 (2/3-1/3+2/3-1/3) -1 -1 = 0.” La clave está en que las partículas de cada generación cumplen que 3 (2/3-1/3) -1 = 0, donde 3 es el número de colores, 2/3 la carga eléctrica de un quark tipo arriba (u, c, t), -1/3 la carga eléctrica de un quark tipo abajo (d, s, b) y -1 la carga eléctrica del electrón (muón o tauón).

En 1971, William Bardeen, Harald Fritzsch y Murray Gell-Mann introdujeron la idea de un nuevo número cuántico para los quarks, el color. Cada quark tiene una carga color y puede ser rojo, verde o azul. En lugar de tres quarks (u, d, s), existían en realidad nueve quarks (y sus antiquarks). La carga de color presentaba una simetría SU(3) exacta; la simetría SU(3) de sabor es aproximada, por ejemplo, el protón y el neutrón no tienen la misma masa. En 1972, Fritzsch y Gell-Mann presentaron una teoría gauge (o de Yang-Mills o de simetría local) para la fuerza de color asociada al grupo SU(3). En esta teoría (la cromodinámica cuántica o QCD) la carga de color es tan fundamental como la carga eléctrica (en la electrodinámica cuántica o QED). En lugar del fotón, eran necesarios ocho partículas sin masa, llamadas gluones. En la conferencia de Rochester en el Fermilab en 1972, Gell-Mann tenía que hablar de la teoría de los hadrones. Gell-Mann nos cuenta que “el chairman era David Gross (otro de los pioneros de la QCD). Yo estaba entusiasmado por la QCD pero en la versión escrita de mi charla consideré que la QCD era solo una posibilidad. La razón era que también estaba entusiasmado con la teoría de cuerdas (para los hadrones) y pensaba que una teoría de cuerdas “coloreadas” era la teoría correcta de los hadrones. Hoy sabemos que la teoría de cuerdas podría ser útil, pero no para entender la dinámica de los hadrones en términos de quarks y gluones (aunque la QCD sugiera que los enlaces entre los quarks debidos a los gluones se comportan como cuerdas). La teoría de cuerdas es una idea para el mañana.” En 1973, los cálculos de David Gross y Frank Wilczek, y de David Politzer, demostraron la propiedad de la libertada asintótica de los quarks y la teoría QCD pasó a ser considerada la teoría correcta de los quarks.