La medida más precisa de la naturaleza

Trabajando en un centro multidisciplinar, como es el Centro Nacional de Aceleradores (CNA), es inevitable darse cuenta de la importancia de todas las ciencias. Biología, Química, Física, Ciencia de Materiales, Estudio del Patrimonio, Estudio del Medioambiente, Medicina y otras muchas, están presentes en el día a día del CNA. Todas estas ramas son muy importantes, y todas son muy relevantes para el conocimiento, para la tecnología y, en general, para el bienestar de la humanidad.

Dicho esto, también es cierto que cada científico tiene su debilidad, por algún aspecto concreto, que normalmente está cercano a su especialidad. En mi caso, mi debilidad es una propiedad, que tienen, en mayor o menor medida, ciertos objetos, y que se llama el momento magnético. Esta propiedad está relacionada con la respuesta de un objeto a un campo magnético. Un imán más potente tiene más momento magnético que otro menos potente. El cuerpo humano no tiene momento magnético, por lo que el uso de pulseras magnéticas es absolutamente irrelevante para el tratamiento de cualquier molestia.

Las partículas subatómicas, como el protón, el neutrón o el electrón, son pequeños imanes, por lo que podemos medir su momento magnético. En el caso del electrón, podemos medir el momento magnético con una precisión inusitada. Utilizamos como unidad el magnetón de Bohr (en honor del físico danés Neils Bohr), cuyo valor es el producto de la carga del electrón, por la constante de Planck, dividida por dos veces la masa del electrón. En estas unidades, el momento magnético del electrón toma el valor 1.00115965218076±0.00000000000027.

Esta medida tiene una precisión absolutamente fabulosa. Somos capaces de medir una cantidad, con 15 cifras significativas. La incertidumbre es de 27 partes en cien millones de millones. El hecho de que podamos realizar esta medida es algo de lo que todos los científicos, en particular los físicos experimentales, podemos estar muy orgullosos. Las medidas se hacen observando cómo cambia la orientación del espín de un electrón, conforme el electrón da vueltas en un tipo especial de acelerador de partículas, llamado anillo de almacenamiento. Esto también es un orgullo especial para los que trabajamos con aceleradores de partículas, que nos indica el grado de sofisticación tecnológica de nuestro campo.

Ahora la pregunta es: ¿Por qué tiene el momento magnético del electrón ese valor, y no cualquier otro? Esto es un reto para los físicos teóricos. Debemos ser capaces de desarrollar teorías generales, que expliquen los resultados de todos los experimentos realizables con electrones en campos eléctricos y magnéticos, y que, en particular nos permitan calcular el valor del momento magnético del electrón.

La primera teoría formulada para explicar el momento magnético del electrón fue planteada, en 1927, por el físico austriaco Wolfgang Pauli. En esta teoría, que combinaba la mecánica cuántica y la relatividad, se encontraba que cualquier partícula elemental, de espín ½, tendría un momento magnético de 1, en las unidades del magnetón de Bohr. Esto da un acuerdo con el resultado experimental de una parte en 1000, brillante para la mayoría de las areas del saber, pero no para la física.

La explicación precisa del momento magnético del electrón tuvo que esperar, en 1956, al desarrollo de la electrodinámica cuántica (QED, en sus siglas inglesas), por muchos físicos teóricos, entre los que cabe destacar a los americanos Richard Feynmann y Julian Schwinger, y el japonés Shinichiro Tomonaga. La QED es una teoría extraña y bellísima a la vez, en la que los electrones pueden crear espontáneamente cuantos de luz (fotones), y posteriormente absorberlos. Basta con incluir una primera corrección al resultado de Dirac, permitiendo que se cree y se absorba un único fotón, para que el resultado del momento magnético del electrón sea 1.0011617, lo que daría una discrepancia de solamente 2 partes en un millón con el resultado experimental. Ni siquiera esto es suficiente para la física. Se han calculado las correcciones al momento magnético, debidas al intercambio de hasta cuatro fotones, y no sólo eso. Se han incluido contribuciones en la que los fotones, a su vez, crean todos los pares posibles de partículas y antipartículas. Con todo ello, el resultado teórico está en pleno acuerdo con el experimento.

La Naturaleza guarda, todavía, muchísimos secretos, y el trabajo de los científicos, en las distintas ramas de la ciencia, consiste en desvelarlos. Sin embargo, en el caso del momento magnético del electrón, la naturaleza nos ha mostrado su secreto de una forma explícita, descarada, pornográfica. Los físicos hemos sido capaces de encontrar la razón de ser de cada dígito del momento magnético, e interpretarlos a la luz de la QED. En este caso, conocemos los encantos de la Naturaleza, de la misma forma que el amante conoce cada curva, cada pliegue y cada poro del ser amado.