¿Por qué las partículas "más pesadas" son más difíciles de detectar que las "más ligeras"?

Question

Algo que he leído múltiples veces y que nunca he entendido intuitivamente es que las partículas "más pesadas" son más difíciles de detectar que las "más ligeras"... Por ejemplo, cito el libro "The Grand Design" de Stephen Hawking en relación con la supersimetría:

Pero varios cálculos que han realizado los físicos indican que las partículas asociadas correspondientes a las partículas que observamos deberían ser mil veces más masivas que un protón, si no incluso más pesadas. Esto es demasiado pesado para que tales partículas se hayan visto en algún experimento hasta la fecha, pero hay esperanzas de que tales partículas se creen finalmente en el Gran Colisionador de Hadrones de Ginebra.

¿Podría alguien explicar, en términos sencillos, por qué las partículas pesadas son más difíciles de detectar? Intuitivamente (para mí, que no soy físico) parecería que debería ser al revés, porque una partícula con más masa debería interactuar más fuertemente con otra materia.

Answer 1

Son más difíciles de detectar por dos razones principalmente:

En primer lugar, porque se descomponen muy rápidamente en partículas más ligeras. De hecho, la partícula elemental más pesada que conocemos (el quark superior) se desintegra tan rápidamente que es teórica y técnicamente imposible medirla de otra manera que no sea indirectamente a través de sus productos de desintegración.

Esto plantea otro problema en cuanto a la base estadística y teórica sobre la que se puede afirmar con cierta certeza la detección de tales partículas.

Otro problema es el de la producción, ya que al tener más masa, requieren mucha más energía para producirse, por lo que los aceleradores son más grandes y más caros.

Answer 2

La frase de Hawking "visto en cualquier experimento" significa realmente lo siguiente. Primero hay que producir la partícula pesada. La materia ordinaria, formada por electrones, protones y neutrones (estos dos últimos, a su vez, estados ligados de quarks), no contiene estas nuevas partículas pesadas, por lo que deben producirse en colisiones de alta energía. Según la famosa fórmula de Einstein $E=mc^2$ la producción de partículas muy pesadas (digamos con masa en el $TeV/c^2$ ) requiere energías del orden de a $TeV$ . De ahí el LHC. Luego está el problema de detectar las partículas una vez que se han producido. Su expectativa de que las partículas con más masa interactúan más fuertemente con otras partículas es cierta para la gravedad, pero no lo es para las interacciones fuertes, débiles o electromagnéticas que son relevantes para la detección de partículas elementales (la interacción gravitacional es demasiado débil para estos propósitos). La fuerza de las interacciones electromagnéticas depende de la carga eléctrica y existen "cargas" análogas para las interacciones débiles y fuertes. La detección de las partículas es extremadamente complicada y depende de su masa, su tiempo de vida, si tienen interacciones fuertes, débiles o electromagnéticas o no, y qué tipos de efectos de fondo del Modelo Estándar podrían tener la misma señal experimental que la partícula que se intenta detectar. Este enlace de la página web del LHC tiene algo de información sobre los detectores de partículas: http://public.web.cern.ch/public/en/LHC/LHCExperiments-en.html