¿Dónde está la prueba de que el electrón es puntual?

Question

Estoy escribiendo un artículo sobre el electrón y me cuesta encontrar pruebas que respalden la afirmación de que las pruebas son puntuales.

Personas tienden a decir la observación de un solo electrón en una trampa Penning muestra que el límite superior del radio de la partícula es de 10 -22 metros . Pero cuando nos fijamos en Hans Demelt Conferencia Nobel lees sobre un extrapolación a partir del valor g medido, que se basa en "una relación plausible dada por Brodsky y Drell (1980) para el modelo teórico compuesto más simple del electrón" . Esta extroplicación da un radio de electrones de R 10 -20 cm, pero no es una medida. Sobre todo cuando "el electrón forma un paquete de ondas de 1 m de longitud y 30 nm de diámetro" .

Es similar cuando se mira El momento magnético anómalo y los límites de la subestructura del fermión por Brodsky y Drell. Puedes leer cosas como esta: "Si el electrón o el muón es de hecho un sistema compuesto, es muy diferente de la imagen familiar de un estado ligado formado por constituyentes elementales, ya que debe ser simultáneamente ligero en masa y pequeño en extensión espacial". La conclusión dice así si un electrón es compuesto debe ser pequeño . Pero no hay pruebas reales de un electrón puntual.

¿Puede alguien indicarme alguna prueba de que el electrón es puntual?

Answer 1

Quien esté familiarizado con la historia de la física de partículas, y de la física en general, sabe que la física consiste en observaciones ajustadas a modelos matemáticos.

Esta revisión examina los límites de tamaño que actualmente aceptamos para las partículas fundamentales que actualmente están en la base del actual modelo estándar de la física de partículas.

Este análisis de lo que significa "punto como" es razonable en mi opinión.

El tamaño de una partícula viene determinado por su respuesta a los experimentos de dispersión y, por tanto, depende en cierta medida del contexto (como el tamaño de un globo). (El contexto viene dado por una función de onda y determina el estado detallado de la partícula).

Por otro lado, las desviaciones de ser un punto suelen describirse mediante factores de forma independientes del contexto que serían constantes para una partícula puntual pero pasan a depender del momento para las partículas en general. Caracterizan a la partícula como una entidad independiente del estado. Junto con el estado de una partícula, los factores de forma contienen todo lo que puede observarse sobre partículas individuales en un campo electromagnético.

Las magnitudes medibles son factores de forma:

Por ejemplo, en la dispersión de electrones a bajas energías, la sección transversal para de un blanco puntual viene dada por la fórmula de dispersión de Rutherford. Si el blanco tiene una extensión espacial finita, la sección transversal puede dividirse en dos factores, la sección transversal de Rutherford y el factor de forma al cuadrado.

A partir de estos factores de forma mensurables se puede obtener un límite para el tamaño del electrón, no se puede dar ninguna prueba de naturaleza "puntual" real. Los modelos sólo se validan o se falsifican, y la naturaleza "puntual" del electrón es un modelo de los datos existentes sobre los electrones que no se ha falsificado.

La naturaleza puntual funciona en el actual modelo estándar de la física porque nuestros experimentos no pueden sondear distancias menores que estos límites, y el SM que depende de estos bloques elementales puntuales FUNCIONA.

Answer 2

Antes de abordar la naturaleza puntual del electrón, consideremos el protón. Se ha descubierto que cuando la energía con la que las partículas (como los electrones) se dispersan de un protón supera un determinado nivel (alrededor de 1 GeV), comienza a resolver el protón. Lo que queremos decir con esto es que, por debajo de esta energía, la sección transversal de dispersión parece seguir una curva invariante de escala (una ley de potencia pura), mientras que a esta escala, la curva de la sección transversal de dispersión en función de la energía cambia su comportamiento, indicando la presencia de una escala específica. Esta escala (1 GeV) se denomina escala QCD, porque resulta que la cromodinámica cuántica (QCD - la teoría subyacente que une los constituyentes en el protón) queda confinada a esta escala (por debajo de la escala QCD las interacciones QCD se vuelven invisibles; por encima de ella se ven los efectos de esta interacción porque se puede mirar dentro del protón).

La energía con la que se realiza un experimento de dispersión determina la resolución del experimento. Lo que esto significa es que la energía se traduce en una distancia [véase la aclaración más abajo]. Para energías más altas, se observan distancias más pequeñas. Por encima de la escala QCD la resolución es lo suficientemente pequeña como para poder observar distancias menores que el tamaño del protón.

Otra cosa muy importante a tener en cuenta es que la masa del protón también es aproximadamente igual a la escala QCD (utilizando la famosa ecuación de Einstein $E=mc^2$ ). Esto es importante porque significa que la misma escala es responsable tanto del tamaño del protón como de su masa.

Pasemos ahora al electrón y a la cuestión de su naturaleza puntual. Obviamente, no podemos hacer experimentos de dispersión a energías infinitas. Por lo tanto, la resolución con la que podemos observar el electrón está limitada por la mayor energía que podemos producir en los experimentos con colisionadores. La sección transversal que observamos de una partícula puntual viene determinada, por tanto, por la resolución con la que la observamos. Con los experimentos actuales se observa que la sección transversal de dispersión del electrón sigue una curva invariante de escala. Por lo tanto, aún no se ha observado ninguna escala en la que el electrón esté resuelto. Sin embargo, una observación importante es que las energías con las que se ha realizado la dispersión superan con creces la masa del electrón. Por tanto, si existiera una escala de energía en la que el electrón se resolviera, dicha escala estaría muy por encima de la escala establecida por la masa del electrón.

Lo que pasa con las escalas en física es que no caen del aire. Suele haber una dinámica muy específica que produce esas escalas. En el caso de partículas unidas, lo normal es que la masa de la partícula unida tenga aproximadamente la misma escala que la asociada al tamaño de la partícula unida. Si el tamaño de una partícula es mucho menor que su masa, tiene que haber una razón muy poderosa para ello.

Por esta razón, aunque no podemos medir el tamaño del electrón hasta distancias infinitamente pequeñas, se cree que el electrón debe ser puntual.

Aclaración:

Sólo para abordar algunos de los comentarios. A resolver significa que se observa algo con una resolución inferior al tamaño del objeto. La resolución de una observación se refiere a una distancia física. En física de partículas, por ejemplo, la resolución está directamente relacionada con la energía del proceso de dispersión. (La energía da la frecuencia a través de $\hbar$ y la frecuencia da la longitud de onda mediante $c$ . La longitud de onda es la distancia física que define la resolución). La noción de resolución es ampliamente aplicable en las observaciones. Por ejemplo, en astronomía, un telescopio podría resolver una galaxia si la resolución del telescopio es menor que el tamaño de la galaxia en la imagen.

Algunos comentarios parecen sugerir que el electrón debería tener un tamaño finito debido al campo eléctrico que produce su carga eléctrica. Desgraciadamente, esto tampoco funciona. El campo eléctrico decrece como una ley de potencia lejos del electrón. Esta ley de potencia no tiene escala. Es invariante de escala. En consecuencia, el campo no puede dar una escala que pueda interpretarse como el tamaño del electrón.

Véase aquí para obtener información del Grupo de Datos de Partículas sobre la composición de los leptones (electrones).

Answer 3

Nunca hay pruebas experimentales directas de que algo haga no incluyendo un radio de electrón distinto de cero. Pero tenemos un modelo muy bueno (incluso podríamos decir "estándar") que describe al electrón como una partícula puntual y explica con exactitud todos los datos experimentales conocidos (al menos, los datos que describen procesos en los que intervienen electrones). Al no haber ninguna razón experimental para esperar que los electrones tengan un radio distinto de cero, la Navaja de Occam sugiere que debemos considerar que los electrones son puntuales hasta que haya una razón concreta para no hacerlo.

Por supuesto, es completamente posible que algún día los experimentos de alta energía descubran que los electrones son estructuras compuestas o extendidas, y si eso ocurre entonces tendremos que revisar nuestra suposición. Hay precedentes de esto en la historia de la física de partículas: el neutrón, el protón y el pión, entre otros, se consideraban partículas elementales puntuales, hasta que apareció un modelo mejor que los describía como estados ligados de quark-gluón.

Answer 4

No existe nada parecido a un punto, materia-punto , espacio-punto en la física fundamental. Sólo se trata de imágenes intermedias que necesitan correcciones ( cuánticas y relativistas ) para ser eficaces cuando se invocan en otros casos.

El electrón puntual es un concepto limitado construido naturalmente en este momento para dar una explicación a los experimentos de dispersión. Pero tras extrapolaciones a otros experimentos, el artificio de la renormalización o la persistente diferencia entre energías totales calculadas y medidas aparecen como dificultades fundamentales para estar seguros de hablar de lo mismo.

Los teóricos pueden olvidar la vulgarización , no sólo las historias que se cuentan y expresan a través de nuestros viejos conceptos para vender libros y/o conseguir subvenciones sino también las metáforas que utilizan con los alumnos con fines pedagógicos. Puede que se centren en las matemáticas para encontrar cuáles son las objetos más relevantes describiendo el universo, con la esperanza de refinar las que la humanidad creó / construyó a partir de inferencias de las medidas de los detectores naturales. Correspondiente implica una mayor eficacia con relaciones más sencillas y, por qué no, una puerta a potentes tecnologías. Recordemos que las fuerzas sustituyeron a los demonios y las teorías del XX a las fuerzas antes de la aceptación de la casi unificación de partículas e interacciones.

Por otra parte, un estudiante que aprende física para aplicaciones no necesita un análisis muy profundo del tamaño absoluto de un alectrón. Cuando compute en contextos específicos, utilizará los modelos más adecuados para utilizar algunos datos en formatos específicos y para presentar resultados también bien formateados. Cualquier extrapolación es una hazaña seguida de una publicación. Pero debe ser consciente de que las palabras tienen significados diferentes de una teoría/modelo a otro. Las palabras no son también puntos , son más bien nubes en el producto cruzado de las teorías.

Entonces, algunos electrones de algunas teorías , principalmente de dispersión, son puntuales. Pero, electrones de otras teorías no lo son. El macro objeto electrón no tiene un atributo de tamaño estático.

Answer 5

Esta pregunta es aproximadamente la energía de un electrón. Dado que la energía almacenada en el campo electromagnético de un electrón $$u_{EM}=\frac{\varepsilon}{2}|\mathbb E|^2+\frac{1}{2\mu}|\mathbb B|^2$$ debe ser una parte significativa de la energía del electrón, incluso el campo debe considerarse como una parte del electrón. Que por lo tanto no es un "punto".

Pero ese era el modelo clásico. En QED el electrón se define como puntual y eso funciona bien, hasta donde ha sido posible calcular y medir. Pero también los cálculos astronómicos dan buenos resultados para estrellas y planetas puntuales. Además, creo que es una desventaja que un "único" electrón se considere sin campo. En realidad, sin embargo, ningún electrón es totalmente único, por lo que cabe preguntarse cuán cerca tienen que estar dos electrones para no ser únicos.