¿Por qué hay partículas inestables? ¿Qué es la vida media?

Un muón de los rayos cósmicos viaja hacia la superficie de la Tierra y en un momento dado, desaparece, apareciendo en su lugar un electrón y un neutrino…

Como Blanca me preguntaba a sus cinco añitos y Valle me recuerda ahora, ¿por qué los muones se cansan de vivir?

Hay partículas estables, como los electrones, que duran eternamente salvo que sean absorbidas. Otras, sin embargo, son inestables: al cabo de un tiempo se desintegran espontáneamente en diferentes partículas más ligeras. Esto es lo que sucede, por ejemplo, con los muones, de los que se dice que tienen una vida media de 2,2 millonésimas de segundo —o microsegundos: 2,2·10^-6 s—. Debe quedar claro que en ningún momento han existido estas partículas “dentro” de las que se desintegran…

La vida media de una partícula es un concepto probabilístico: es imposible predecir cuándo va a desintegrarse un muon cualquiera. Sin embargo, si se miden los tiempos de vida (en reposo) de una gran población de partículas, el valor promedio obtenido es una constante; el mismo valor aunque se trate de distintos experimentos: la vida media de la partícula. Resulta que la vida media es también el tiempo promedio en el que una población muy grande de partículas idénticas se reduce a una fracción 1/e de la inicial, es decir, más o menos a un 37 % (pues "e" vale aproximadamente 2,718).

Sin embargo, por razones técnicas, la definición es algo más compleja y precisa: la vida media es el tiempo promedio en el que una población muy grande de partículas idénticas se reduce a una fracción 1/e de la inicial, es decir, más o menos a un 37 %.

Por ejemplo, si empezamos con 100 000 000 000 de muones, al cabo de 2,2 microsegundos quedarán un promedio de 37 000 000 y tras el doble de tiempo, únicamente 13 000 000. En unas 18 vidas medias debería quedar únicamente ¡una partícula de las 100 000 000 000 iniciales!

Al tiempo en el que una tal población se reduce a la mitad se le llama "periodo de semidesintegración" y es algo menor, concretamente 1,6 microsegundos para los muones.

Pero no hemos contestado a la pregunta de por qué son inestables. ¿Es que la vida es así…?

En realidad, para muchos físicos, las partículas elementales (1) —que nos imaginamos erróneamente como bolitas— no son los “bloques básicos” de los que todo está hecho. Los ingredientes básicos serían los campos cuánticos, que son extensos como los fluidos, no localizados como las partículas. Así por ejemplo, el campo muónico sería “algo” que llena el universo y que en determinadas circunstancias puede condensarse como una onda localizada que viaja y lleva energía, es decir, que se comporta como una partícula.

Estas ondas localizadas, como todas las vibraciones que conocemos, se disipan espontáneamente —por ejemplo, las cuerdas de una guitarra dejan de vibrar si no las damos energía, igual que las olas que hacemos en una piscina, etc.—, lo que sucede es que en el mundo cuántico, las partículas no se van disipando poco a poco, sino que lo hacen instantáneamente, transformándose en otras.

¿Y por qué hay partículas estables? Baste decir aquí que parece que el Universo obedece inflexiblemente una serie de leyes muy primitivas, las “leyes de conservación”. Por ejemplo la carga eléctrica o la energía totales no pueden variar en ningún proceso físico; tampoco en una desintegración. Así por ejemplo, un electrón es estable porque no existen ninguna partículas más ligeras —para respetar la conservación de la energía— y con carga en las que desintegrarse. Las partículas cargadas más pesadas son todas inestables porque en el mundo cuántico, nuestro mundo, todo lo que nos está prohibido sucede…

_{(1) Más información sobre partículas elementales y los rayos cósmicos en el cuaderno Experimenta. Rayos cósmicos: http://www.muncyt.es/stfls/MUNCYT/Publicaciones/rayos_cosmicos_muncyt.pdf}