El mesón pi

En 1947 no había laboratorio en Chacaltaya. Había una casa del Club Andino, una estación meteorológica de cinco años y un camino de tierra. Bastó. Las placas fotográficas que un físico brasileño de 22 años dejó allí durante unas semanas contenían la prueba que la física llevaba doce años buscando: la partícula que Hideki Yukawa había imaginado en 1935 para explicar por qué el núcleo atómico no se deshace. La montaña dio la evidencia cinco años antes de que existiera el Laboratorio. Esa es la razón por la que el Laboratorio existe.

El problema que había que resolver

En 1935 el físico japonés Hideki Yukawa propuso que la fuerza que mantiene unidos protones y neutrones dentro del núcleo debía estar mediada por una partícula intermedia, con una masa entre la del electrón y la del protón. Era una predicción teórica sin ningún objeto observado detrás.

En 1937 Carl Anderson y Seth Neddermeyer, y por separado Jabez Street y Edward Stevenson, encontraron en la radiación cósmica partículas con exactamente esa masa intermedia —unas 200 veces la del electrón—. Durante casi una década se dio por hecho que eran la partícula de Yukawa.

No lo eran. En 1946 el experimento de Marcello Conversi, Ettore Pancini y Oreste Piccioni, en Roma, mostró que aquella partícula penetrante apenas interactuaba con los núcleos: no podía ser el mediador de la fuerza nuclear fuerte. La física quedó ante una contradicción abierta. O Yukawa se equivocaba, o existían dos partículas distintas de masa parecida y sólo se había visto una: la que no importaba.

Esa es la pregunta que llega a Chacaltaya.

Bristol: una emulsión nueva y una técnica olvidada

En el H. H. Wills Physical Laboratory de la Universidad de Bristol, Cecil Frank Powell llevaba años perfeccionando un método que la mayoría de sus colegas consideraba anticuado: registrar las trayectorias de partículas directamente en emulsiones fotográficas, placas de gelatina cargadas de haluro de plata que, reveladas, muestran el paso de una partícula como una hilera de granos negros observable al microscopio.

La técnica tenía una ventaja decisiva sobre la cámara de niebla: la emulsión registra todo el tiempo, sin necesidad de disparo, alimentación eléctrica ni operador. Una placa puede dejarse semanas en una montaña sin nadie que la vigile. Y tenía una desventaja: hacían falta emulsiones mucho más sensibles y gruesas que las comerciales.

En 1946 la casa británica Ilford produjo, a pedido del grupo, un nuevo tipo de emulsión concentrada —las llamadas placas «Nuclear Research», más tarde sensibilizadas con boro— capaz de registrar partículas poco ionizantes.

Ese mismo año llegó a Bristol Giuseppe Occhialini, físico italiano que había trabajado en São Paulo, y tras él su antiguo alumno brasileño César Lattes (1924–2005), de 22 años. Lattes había estado en la Universidad de São Paulo trabajando con una cámara de niebla junto a Ugo Camerini y Andrea Wataghin; el intercambio de fotografías con Occhialini —él enviaba imágenes de su cámara, Occhialini le devolvía fotomicrografías de trazas obtenidas en las nuevas emulsiones de Ilford— lo convenció de que el futuro estaba en las placas y pidió incorporarse al grupo.

Y hay una tercera figura que las historias suelen omitir: el trabajo de barrido al microscopio, placa por placa, campo por campo, lo hacían técnicas microscopistas contratadas por el laboratorio. Marietta Kurz fue quien encontró, en las placas del Pic du Midi, el primer evento en que un mesón se detenía y de su punto de parada nacía la partícula producto del decaimiento del mesón.

Para el sitio web — nota editorial. La aportación de las microscopistas de Bristol (Marietta Kurz, Irene Roberts) debe aparecer con nombre propio. Es un punto que las lecturas contemporáneas del episodio valoran y que refuerza el relato humano del descubrimiento.

Pic du Midi: el indicio

En 1946 Occhialini expuso las primeras placas nuevas en el observatorio del Pic du Midi de Bigorre, en los Pirineos franceses, a unos 2.900 metros, durante alrededor de seis semanas. Al revelarlas y barrerlas aparecieron dos eventos del tipo buscado: una traza que se detiene y, desde ese mismo punto, arranca otra traza de un segundo mesón que recorre unas centenas de micras antes de detenerse a su vez.

Dos eventos son un indicio, no una prueba. Con dos casos no se puede medir una relación de masas ni descartar una coincidencia. El resultado se publicó en Nature el 24 de mayo de 1947 —Lattes, Muirhead, Occhialini y Powell, «Processes involving charged mesons»— y dejó al grupo con una necesidad muy concreta: más altura y más tiempo de exposición.

El flujo de radiación cósmica crece rápidamente con la altitud. Había que subir.

Cómo se encontró la montaña

Lattes fue al Departamento de Geografía de la Universidad de Bristol a buscar, sobre mapas y anuarios, estaciones habitadas a gran altura. Allí encontró la referencia de una estación meteorológica en los Andes bolivianos, a unos 5.200 metros, fundada en 1942 en el Mt. Chacaltaya por el meteorólogo español Ismael Escobar Vallejo, refugiado de la Guerra Civil española.

Es probable, además, que la pista le llegara reforzada por dos meteorólogos españoles también exiliados y bien relacionados con la física británica —Mariano Doporto, director del Servicio Meteorológico de Irlanda, y Antonio Duperier, colaborador de Patrick Blackett en Londres—, que conocían tanto la montaña como a Escobar.

Las ventajas del sitio eran extraordinarias y siguen siéndolo:

• Altitud. A 5.200 m queda por encima de aproximadamente la mitad de la masa atmosférica; el flujo de partículas de la cascada cósmica es muchísimo mayor que a 2.900 m.
• Latitud. Está prácticamente sobre el ecuador geomagnético, donde el corte de rigidez magnética es máximo: una condición única para comparar resultados con estaciones del hemisferio norte.
• Accesibilidad. Está a unos 30 km de La Paz, con camino carretero y una casa ya construida —la del Club Andino Boliviano, levantada hacia 1940 para el refugio de esquí— y una estación meteorológica en funcionamiento. Ninguna otra montaña de esa altura en el mundo ofrecía esa combinación.

La propuesta de Lattes a Powell y Occhialini fue directa: llevar él mismo un lote de placas tratadas con boro y exponerlas en Chacaltaya durante un mes.

El viaje

Lattes salió de Bristol con las placas y, en sus propias palabras, «un fajo de billetes de una libra» que apenas alcanzaba para llegar a Río de Janeiro y volver. Viajó aprovechando sus vacaciones y prácticamente con sus propios medios; el gobierno británico cubrió parte de la misión.

Un detalle que él mismo contó siempre: eligió volar en un avión brasileño en lugar del británico previsto. El avión británico se estrelló en Dakar y murieron todos sus pasajeros.

En La Paz reveló una placa para comprobar el procedimiento. El agua disponible no era la adecuada y la emulsión salió manchada. Aun así, en esa única placa defectuosa apareció ya un mesón doble completo, con un recorrido del secundario de unas 600 micras. El resto de las emulsiones volvió sin revelar a Bristol.

Cita recomendada para el sitio: «Podía encargarme yo de exponer placas tratadas con boro en el monte Chacaltaya durante un mes.»

César Lattes, relato propio del descubrimiento.

El resultado

Reveladas y barridas en Bristol, las placas de Chacaltaya —de unos 100 µm de espesor, expuestas alrededor de cuarenta días— entregaron unas treinta trazas de mesones dobles. Con esa cosecha ya se podía hacer física de verdad.

El método fue el contaje de granos: en una emulsión, la densidad de granos revelados a lo largo de una traza depende de la ionización y, por tanto, de la masa y la velocidad de la partícula. Midiendo repetidamente los granos sobre el primario y sobre el secundario en las trazas más largas y mejor definidas, el grupo estableció que la partícula primaria era más pesada que la secundaria, con una relación de masas en torno a m₁/m₂ ≈ 2 (valores de 2,0 y 1,8 en los dos mejores eventos; límite inferior firme en 1,5).

La conclusión fue inequívoca. No era una partícula: eran dos.

• La primaria, más pesada, interactúa fuertemente con los núcleos y se desintegra: es la partícula prevista por Yukawa. Se la llamó mesón π (pión).
• La secundaria, más ligera y penetrante, es la que Anderson y Neddermeyer habían observado en 1937: el mesón μ (muón) —que, se sabría después, ni siquiera es un mesón, sino un leptón, pariente pesado del electrón.

El proceso observado es la desintegración π → μ + ν. La contradicción de Conversi–Pancini–Piccioni quedaba resuelta: Yukawa tenía razón, y lo que se había estado observando durante una década era el producto de desintegración de su partícula, no su partícula.

Octubre de 1947

El resultado se publicó en Nature, en dos entregas consecutivas, con la firma de C. M. G. Lattes, G. P. S. Occhialini y C. F. Powell:

«Observations on the Tracks of Slow Mesons in Photographic Emulsions» Nature 160, 453–456 (4 de octubre de 1947) y 486–492 (11 de octubre de 1947).

El artículo declara «cuarenta ejemplos del proceso que conduce a la producción de mesones secundarios» y sitúa expresamente el origen del material: placas expuestas en los Andes bolivianos a 5.500 metros de altura.

Esa línea es el documento fundacional de la montaña. En octubre de 1947 la palabra «Chacaltaya» entra en la literatura científica mundial.

Nota de precisión para el expediente. El artículo de Nature consigna 5.500 m; la altitud real de las instalaciones es de 5.200 m y la de la cumbre, 5.600 m. La discrepancia es habitual en la literatura de la época y conviene explicarla en el sitio en lugar de corregirla en silencio.

Lo que vino después

El descubrimiento no cerró una historia: abrió cuatro.

Berkeley, 1948. A comienzos de 1948 Lattes llegó al Laboratorio de Radiación de la Universidad de California, dirigido por Ernest Lawrence, donde el sincrociclotrón de 184 pulgadas llevaba más de un año funcionando sin que nadie hubiera logrado detectar los mesones que la máquina había sido construida para producir. Diez días después de su llegada, Lattes reconoció las trazas de piones en las emulsiones: la máquina los producía desde el primer día, sólo que nadie sabía identificarlos. Eugene Gardner y Lattes publicaron el resultado en Science el 12 de marzo de 1948. Fueron los primeros piones producidos artificialmente por el ser humano, y la evidencia que Lawrence necesitaba para conseguir la financiación del Bevatrón. Lo que la montaña había encontrado, la máquina pudo entonces fabricar: es el momento exacto en que la física de partículas pasa de los rayos cósmicos a los aceleradores.

Estocolmo, 1949 y 1950. Hideki Yukawa recibió el Premio Nobel de Física de 1949 «por su predicción de la existencia de mesones sobre la base del trabajo teórico sobre las fuerzas nucleares». Cecil Powell lo recibió en 1950 «por su desarrollo del método fotográfico de estudio de los procesos nucleares y por sus descubrimientos sobre los mesones realizados con ese método». Ambas citas describen, sin nombrarlo, un resultado obtenido con placas expuestas en Chacaltaya. Investigaciones históricas recientes documentan además siete nominaciones al Nobel para el propio Lattes entre 1949 y 1954.

Río de Janeiro, enero de 1949. El prestigio del hallazgo se usó en Brasil como argumento para crear un organismo dedicado exclusivamente a la investigación en física: nace el Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), institución privada y fundada fuera de la universidad, con Lattes como director científico a los 24 años. Dos años después se crea el CNPq (1951). Es una cadena causal poco frecuente en la historia de la ciencia: una evidencia obtenida en una montaña boliviana funda dos instituciones matrices de la ciencia brasileña.

Chacaltaya, 1952. Al volver de Estados Unidos, Lattes se dedicó a construir un laboratorio permanente en altura. La elección era obvia. Con el apoyo financiero de la UNESCO y del recién creado CNPq trajo a Brasil a Occhialini y a Camerini, y en 1952 se firmó el acuerdo con la Universidad Mayor de San Andrés que dio origen al Laboratorio de Física Cósmica de Chacaltaya. En paralelo, la UMSA venía tramitando desde 1949 el anteproyecto de Escobar, y el 9 de enero de 1952 el Decreto Supremo 02921 declaró de necesidad y utilidad pública la construcción del observatorio.

El sitio del descubrimiento se convirtió en institución.

Cronología del hito

⚠ Punto abierto de datación. Carlos Aguirre Bastos sitúa el viaje de Lattes en 1946; Vieira y Videira lo sitúan en el primer semestre de 1947; el propio Lattes fecha en 1946 el momento en que propone la expedición. La secuencia interna —placas del Pic du Midi publicadas en mayo de 1947, resultados de Chacaltaya publicados en octubre de 1947— es compatible con una exposición realizada entre finales de 1946 y el primer semestre de 1947. Para el expediente ante la UNESCO conviene resolver este punto con documentación primaria (pasaportes, correspondencia Bristol–La Paz, registros del Club Andino Boliviano, prensa paceña de 1946–1947, archivo del Servicio Meteorológico). Ver «Tareas de archivo» al final.

Personas del hito (fichas breves para el sitio)

• César Lattes (Curitiba 1924 – Campinas 2005). Físico brasileño. Expuso las placas en Chacaltaya y midió la relación de masas. Descubridor de los piones artificiales en Berkeley. Primer director científico del CBPF a los 24 años. Impulsor del Laboratorio y de la Colaboración Brasil–Japón.
• Cecil Frank Powell (1903–1969). Director del grupo de Bristol. Premio Nobel de Física 1950 por el desarrollo del método fotográfico.
• Giuseppe «Beppo» Occhialini (1907–1993). Físico italiano, profesor de Lattes en São Paulo. Codescubridor del pión. Expuso las placas del Pic du Midi.
• Hideki Yukawa (1907–1981). Predijo la partícula en 1935. Nobel 1949. En 1959 escribiría a Lattes la carta que trajo la física japonesa a Chacaltaya.
• Ismael Escobar Vallejo (1918–2009). Maestro y meteorólogo español exiliado. Fundó la estación de Chacaltaya en 1942 y sería el primer director del Laboratorio.
• Marietta Kurz. Microscopista del laboratorio de Bristol. Identificó el primer evento de mesón doble en las placas del Pic du Midi.
• Eugene Gardner (1913–1950). Jefe de la División de Emulsiones Nucleares de Berkeley; coautor del descubrimiento de los piones artificiales.

Glosario del hito (bloque desplegable en la página)

• Rayo cósmico. Núcleo atómico de altísima energía procedente del espacio. Al chocar con la atmósfera genera una cascada de partículas secundarias.
• Emulsión nuclear. Placa fotográfica de gelatina con haluro de plata, muy sensible y gruesa, en la que el paso de una partícula cargada queda registrado como una hilera de granos visibles al microscopio tras el revelado.
• Mesón. Partícula de masa intermedia entre el electrón y el protón. El pión lo es; el muón, pese al nombre histórico, no.
• Pión (mesón π). Partícula mediadora de la fuerza nuclear fuerte prevista por Yukawa en 1935 y establecida experimentalmente en 1947.
• Muón (mesón μ). Leptón pesado, producto de la desintegración del pión. Es la componente penetrante que llega al suelo.
• Contaje de granos. Técnica de medida: contar los granos revelados por unidad de longitud a lo largo de una traza permite estimar la masa de la partícula.
• Rigidez de corte geomagnética. Energía mínima que necesita una partícula cargada para atravesar el campo magnético terrestre en un punto dado. Es máxima en el ecuador geomagnético, donde está Chacaltaya.

Argumento para la candidatura ante la UNESCO

Formulación breve (para la página):

Formulación desarrollada (para el expediente): El hito de 1947 sostiene tres afirmaciones verificables y documentalmente rastreables:

1. Precedencia y suficiencia de la evidencia. La publicación de Nature 160 (4 y 11 de octubre de 1947) identifica expresamente el material analizado como placas expuestas en los Andes bolivianos a gran altura, y es esa muestra —no la del Pic du Midi— la que permite la medición de la relación de masas y, con ella, la conclusión de que existen dos mesones distintos.
2. Consecuencia institucional transnacional. Del prestigio de ese resultado surgen el CBPF (enero de 1949) y, en su estela, el CNPq (1951) en Brasil, y el Laboratorio de Física Cósmica (1952) en Bolivia. Es un caso poco común de un sitio geográfico que origina instituciones científicas nacionales en dos países. Fundamenta un expediente conjunto Bolivia–Brasil.
3. Continuidad del uso científico. El sitio del descubrimiento no es una ruina conmemorativa: sigue operando en 2026, con la estación GAW/CHC de la OMM y el experimento ALPACA/ALPAQUITA. La integridad y la autenticidad del bien se sostienen sobre un uso ininterrumpido de ochenta años.

Fuentes

1. C. M. G. Lattes, G. P. S. Occhialini y C. F. Powell, «Observations on the Tracks of Slow Mesons in Photographic Emulsions», Nature 160, 453–456 (4 de octubre de 1947) y 486–492 (11 de octubre de 1947). DOI: 10.1038/160453a0
2. C. M. G. Lattes, H. Muirhead, G. P. S. Occhialini y C. F. Powell, «Processes Involving Charged Mesons», Nature 159, 694–697 (24 de mayo de 1947). DOI: 10.1038/159694a0
3. E. Gardner y C. M. G. Lattes, Science 109, 270 (1948).
4. Carlos Aguirre Bastos, Medio siglo de ciencia en Bolivia. El Laboratorio de Física Cósmica de Chacaltaya de la Universidad Mayor de San Andrés, Fundación Universitaria Simón I. Patiño, La Paz, mayo de 1996, cap. III.
5. Cássio Leite Vieira (CBPF) y Antonio Augusto Passos Videira (UERJ), «Chacaltaya: um laboratório nas nuvens», en História da Física (2019), pp. 129–141. Versión previa en Scientific American Brasil, enero de 2015.
6. Luca Gariboldi, «Lattes' contribution to the discovery of the π meson in Bristol», SISFA.
7. Relato autobiográfico de César Lattes sobre el descubrimiento, Grupo de História da Ciência e Ensino, USP.
8. A. Marques de Oliveira, «25 Anos da Descoberta do Meson pi», CBPF, Ciência e Sociedade 12, Río de Janeiro, 1973.
9. Fundación Nobel, citaciones de los Premios de Física de 1949 (Yukawa) y 1950 (Powell).