El pasado viernes 24 de mayo falleció a los 89 años de edad Murray Gell-Mann, uno de los grandes artífices del modelo estándar de la física de partículas. Unánimemente reconocido como uno de los físicos teóricos más brillantes del último siglo, su trabajo fue clave a la hora de dotar a la física de partículas moderna de un cimiento matemático sólido, elegante y predictivo.
Su aportación más conocida y por la que sin duda será siempre recordado fue la línea de investigación que permitió vaticinar la existencia de los quarks, los constituyentes básicos de las partículas como el protón y el neutrón. No obstante, sus contribuciones a la física fundamental fueron mucho más allá. «Su trabajo en física de partículas es sencillamente monumental», apunta Miguel Á. Vázquez-Mozo, físico teórico de la Universidad de Salamanca y experto en historia de la física del siglo XX.
Gell-Mann nació en Manhattan en 1929. Hijo de una familia de emigrantes judíos procedentes de Europa del Este, se graduó en Yale en 1948 y obtuvo su doctorado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en 1951, cuando contaba 21 años de edad. Cuatro años después consiguió una plaza de profesor en el Instituto de Tecnología de California, donde trabajaría hasta su jubilación. Personaje central en la historia de la física de partículas de los años cincuenta y sesenta, sus logros se vieron recompensados en 1969 con la concesión del premio Nobel de física, otorgado «por sus contribuciones y descubrimientos sobre la clasificación de las partículas elementales y sus interacciones».
En los años cincuenta del siglo pasado, una desconcertante panoplia de partículas subatómicas conocidas colectivamente como hadrones (partículas similares al protón y el neutrón) había comenzado a aparecer en los experimentos. Nadie sabía de dónde venían ni qué función cumplían en la descripción de las leyes fundamentales de la naturaleza. Por medio de una herramienta matemática conocida como teoría de grupos, en 1961 Gell-Mann fue capaz de ordenarlas y clasificar sus propiedades con un método al que bautizó como «camino óctuple» (eightfold way). El nombre hacía referencia al protagonismo que desempeñaba el número ocho en dicho esquema y, al mismo tiempo, constituía una referencia no exenta de humor al «noble camino óctuple» del budismo.
La construcción geométrica de Gell-Mann —propuesta también de manera independiente por el físico israelí Yuval Ne’eman— no solo ponía orden en la marabunta de partículas conocidas, sino que predecía la existencia de otras nuevas. Una de ellas fue el barión Ω– («omega menos»), la cual fue descubierta pocos años después en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Nueva York. El hecho de que su masa, carga eléctrica, espín y otras propiedades coincidieran con las presagiadas por la teoría de Gell-Mann supuso un verdadero espaldarazo para el modelo y catapultó al físico de Manhattan en la carrera hacia el Nobel.
Sin embargo, las consecuencias del camino óctuple fueron mucho más allá de proporcionar un esquema geométrico capaz de ordenar y clasificar los hadrones. Las matemáticas del problema parecían implicar la existencia de tres partículas fundamentales a partir de las cuales podían describirse todos los hadrones y explicar sus propiedades. Tales partículas eran los quarks, los constituyentes elementales que hoy sabemos que componen los protones, los neutrones y todas las partículas que experimentan la interacción fuerte. Gell-Mann, quien también era un erudito en lingüística, los bautizó así en un breve artículo publicado en 1964, tamando prestado el término de una enigmática frase de la obra Finnegans Wake, de James Joyce.
La misma idea de tres constituyentes elementales para los hadrones fue presentada de manera independiente por el ruso-estadounidense George Zweig, quien propuso llamarlos aces («ases»). Sin embargo, aquel término nunca cuajó. «La pasión de Gell-Mann por la lingüística es probablemente la razón por la que acuñó tantos términos que han quedado establecidos», aduce Vázquez-Mozo, quien destaca la inusual talla intelectual de Gell-Mann en todo tipo de ámbitos. «En el caso del camino óctuple, la referencia cultural al budismo la hace en un momento (1961) en el que probablemente era muy oscura para la mayoría de sus colegas, algo que seguro gustaba a Gell-Mann», añade el investigador.
Más allá de darles nombre, sin embargo, aceptar que los quarks fuesen partículas reales y no un mero recurso matemático presentaba sus propios problemas. Por un lado, debían tener carga eléctrica fraccionaria, algo nunca observado antes. Pero, además, en caso de existir parecían estar permanentemente confinados en el interior de los hadrones, por lo que tal vez fuese imposible observarlos como partículas libres. De ser así, ¿qué sentido físico tenía afirmar que se trataba de partículas «reales»?
Según relata el físico Frank Close en el libro The infinity puzzle, parece ser que el propio Gell-Mann descartó en un principio que los quarks fuesen partículas físicas, aduciendo que no eran más que un constructo teórico útil para dar cuenta de las propiedades matemáticas del modelo. Sea como fuere, las dudas al respecto no tardaron en desaparecer. En 1968, una serie de experimentos efectuados en el Acelerador Lineal de Stanford proporcionaron el primer indicio de su existencia. Al bombardear protones con electrones, la manera en que estos últimos rebotaban indicaba que en el interior de los protones había ciertos «objetos duros» de propiedades compatibles con los quarks. En los años siguientes, otros experimentos dejaron la existencia de los quarks fuera de toda duda.
Hoy los quarks se producen y se detectan de manera rutinaria en los aceleradores de partículas. La familia original de tres miembros propuesta por Gell-Mann se ha ampliado a seis, y sus interacciones quedan descritas por una generalización del electromagnetismo conocida como «cromodinámica cuántica» (QCD, por sus siglas en inglés), en cuyo desarrollo Gell-Mann también desempeño un papel clave. Por lo demás, las aportaciones de Gell-Mann a la física de partículas no se quedaron en las interacciones fuertes. El físico de Manhattan es también conocido por sus contribuciones a la teoría del grupo de renormalización, a la descripción moderna de la interacción nuclear débil o a la física de neutrinos, entre otros logros.
Más allá de la física, sus intereses personales incluían la lingüística, la arqueología y la ornitología. «A su gran creatividad científica unía una erudición más allá de toda medida», comenta Vázquez-Mozo. En los años postreros de su carrera, Gell-Mann dirigió su atención hacia la física de los sistemas complejos y a sus aplicaciones en biología, ecología, sociología y computación. En 1984 cofundó el Instituto Santa Fe, en Nuevo México, hoy un centro de referencia en el estudio de la complejidad. En el momento de su muerte formaba parte del proyecto de investigación del Instituto Santa Fe «Orígenes, evolución y diversidad de las lenguas humanas». Esa visión polifacética quedó plasmada en su libro El quark y el jaguar: Aventuras en lo simple y lo complejo (Tusquets, 1995).
La pasión de Gell-Mann por entender el universo le llevó a considerar el problema de la interpretación de la mecánica cuántica. Junto con el estadounidense James Hartle y otros físicos, fue uno de los proponentes de la interpretación conocida como «historias consistentes», la cual puede entenderse como una reformulación moderna de la interpretación de Copenhague. En el vídeo enlazado aquí, el investigador argumenta contra el uso de término no local para describir las correlaciones cuánticas y critica la confusión innecesaria que, a su juicio, un mal uso del lenguaje introdujo en la percepción del mundo microscópico al que dedicó tantos años de su carrera investigadora.
Ernesto Lozano Tellechea
Más información en la página web del Instituto de Tecnología de California y el Instituto Santa Fe.
