23 votos

¿Cómo es que las partículas "más pequeñas y débiles" son más masivas (tienen energías más altas)?

Hay algo que siempre me ha parecido contraintuitivo: al leer sobre experimentos de alta energía como el LHC, siempre se buscan cosas en un realmente pequeña escala con MASIVO energías.

Supongo que esta cita lo ilustra ( Wikipedia: Gravitones ):

Los intentos de ampliar el Modelo Estándar u otras teorías cuánticas de campos añadiendo gravitones tropiezan con serias dificultades teóricas a altas energías...

¿No debería algo realmente pequeño en tamaño ser realmente bajo en energía?

Por ejemplo, el bosón de Higgs. Simplemente no puedo entenderlo. Si esta partícula está mediando una interacción fundamental que no es muy fuerte, ¿cómo es que no es mucho más fácil de ver? ¿No estaríamos nadando en una sopa de ellas?

Por último, con los gravitones ( Wikipedia: Gravitones de nuevo):

Por ejemplo, un detector con la masa de Júpiter y una eficiencia del 100%, situado en una órbita cercana a una estrella de neutrones, sólo podría observar un gravitón cada 10 años, incluso en las condiciones más favorables.

Pero, ¿no existe la gravedad en todas partes?

Cuando leo sobre física, me encuentro con esta aparente paradoja en relación con todo tipo de partículas. Estoy seguro de que es algún punto fundamental que no estoy entendiendo.

20voto

En la física de altas energías, la escala energética es muy importante. Como usted ha dicho, la materia se sondea a distancias cada vez más pequeñas, y eso requiere más energía. ¿A qué se debe?

Bien en unidades naturales ( $c = \hbar = 1$ ) tenemos algunas cantidades que se mezclan entre sí, es decir, hay muy poca diferencia entre ellas (principalmente sólo una constante de proporcionalidad) En particular:

$$ [Velocity] = number$$ $$ [Energy] = [Mass] = [Momentum] $$ y $$ [Mass] = [Length]^{-1} $$

De ello se deduce que $[Energy]$ es en realidad sólo inversa $[Length]$ Por tanto, cuanto menores sean las distancias sondeadas, mayores serán las escalas de energía.

Si estas relaciones le parecen extrañas, piénselas así. La velocidad máxima alcanzable es la velocidad de la luz $c$ y ya lo hemos fijado en uno por nuestra elección de unidades naturales. Esto significa que cualquier otra velocidad oscilará entre $0 \leq v \leq 1$ por lo tanto es un escalar.

Además, desde $E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2$ se deduce que $E^2 = p^2 + m^2$ . La última, que es el núcleo de su pregunta se deduce del hecho de que $\hbar/(mc)$ tiene unidades de longitud y en unidades naturales se convierte en $m^{-1}$ .

Para terminar, tu último punto sobre la gravedad se deduce del hecho de que los gravitones interactúan muy débilmente a las escalas de energía que estamos sondeando, porque la gravedad sólo se vuelve relevante a distancias extremadamente pequeñas del orden del Longitud de Planck ,

$$\ell _{{\text{P}}}={\sqrt {\frac {\hbar G}{c^{3}}}}\approx 1.616\;199(97)\times 10^{{-35}}{\mbox{ m}}$$

Esto equivale a enorme energías a las que no tenemos acceso actualmente. Todo esto hecho anteriormente se llama análisis dimensional .

Edición: Para abordar la parte del bosón de Higgs de la respuesta:

No considere el bosón de Higgs como una interacción fundamental porque no lo es. La razón por la que necesitamos altas energías para producir el bosón de Higgs es otra. Como otros han señalado, el bosón de Higgs es una excitación del campo de Higgs. El bosón en sí es muy masivo. Recuerde que masa = energía. Para producir un bosón masivo necesitas suministrar como mínimo suficiente energía para producir su masa. Este tipo de energía no está disponible en nuestra vida cotidiana. Sólo el LHC tiene potencia suficiente para producir escalas de energía tan altas. Pero eso no afecta a otras partículas que interactúan con el Higgs campo para ganar masa.

Edición: Añadida una pequeña charla sobre la gravedad para responder a la pregunta del OP en los comentarios:

Para una partícula subatómica, los efectos gravitatorios son extremadamente pequeños debido a sus diminutas masas. Para que la gravedad sea relevante para las partículas individuales, tenemos que investigarlas a escalas de longitud de Planck. Pero la gravedad en general es relevante en el universo, y ello se debe a que los objetos astronómicos son muy masivos y su masa combinada produce campos gravitatorios que tienen observable efectos.

1 votos

Me sorprende que mi pregunta se haya entendido tan fácilmente. Gracias por la respuesta rápida y pertinente. Me temo, sin embargo, que la parte sobre la gravitación viola una vez más mi intuición: Siempre he leído que la gravedad sólo adquiere relevancia a grandes escalas, como las astronómicas, y que no juega ningún papel a pequeñas escalas porque es una muy ¿Interacción débil?

3 votos

Ahora entiendo lo de la gravedad: en términos sencillos, la distancia a la que una partícula puede ser desviada por la gravedad es realmente pequeñas, pero si las juntamos todas suman. Muchas gracias.

0 votos

@dalgard ¡Eso es!

9voto

CuriousOne Puntos 8519

Hay que añadir una advertencia con respecto a la gravedad. La gravedad no se comporta como las demás fuerzas. Ni siquiera está claro que pueda cuantificarse, como demuestra el fracaso absoluto de más de medio siglo en la elaboración de una teoría cuántica autoconsistente de la gravedad. Los indicios de que la gravedad puede no ser una fuerza como las demás son bastante obvios en la termodinámica de los agujeros negros, que se parecen mucho más a los fenómenos clásicos de transición de fase que a los estados cuánticos macroscópicos. Por tanto, es perfectamente posible que la gravedad sea un remanente termodinámico de otra fuerza que aún no hemos visto.

0 votos

Buena observación. No pretendía suponerlo, sólo lo usaba como ejemplo.

1 votos

Nadie lo sabe con certeza. Puede que exista una QFT de la gravedad, después de todo, o puede que no... todo está en el aire y la naturaleza no quiere renunciar a esto fácilmente.

3voto

Jed Thompson Puntos 1004

En el caso del bosón de Higgs, se necesitan energías muy altas para crearlo porque es bastante masivo. El bosón de Higgs se entiende mejor como una excitación del campo de Higgs, y una buena manera de excitar este campo (ya que se acopla a la masa) es "arrancarlo" con una interacción que implique a otras partículas bastante masivas, como el quark top. Sin embargo, sigue siendo difícil excitar este campo, y esta dificultad es en cierto modo una medida de la masa del bosón de Higgs (la energía de este estado excitado del campo de Higgs). Quizás alguien con más experiencia en QFT pueda explicarlo mejor que yo, ya que no soy ningún experto.

En el caso de otras partículas, como el gravitón, pueden ser muy difíciles de detectar porque no interactúan de formas fácilmente detectables. Los neutrinos son un buen ejemplo de una partícula que está por todas partes (millones pasan a través de ti cada segundo), pero sólo interactúan a través de la fuerza débil (ignorando su interacción gravitatoria de baja masa). Es difícil detectar neutrinos porque la mayoría pasan a través de nuestros detectores, y tenemos que trabajar duro para crear condiciones favorables para su detección (busque Super-K o Ice Cube para hacerse una idea de lo que implica la detección de neutrinos). Los gravitones, por lo que sé, sólo deberían interactuar gravitatoriamente, lo que hace aún más difícil detectarlos, ya que la gravedad es una fuerza muy débil comparada con las otras fuerzas fundamentales. También habría que ser muy cuidadoso para distinguir los eventos gravitónicos de otros eventos (como los neutrinos). Esto tampoco es tarea fácil. Por tanto, sería difícil detectar gravitones individuales debido a la forma en que interactúan.

0 votos

Interesante lo del bosón de Higgs. Entonces, ¿debo recurrir a la teoría cuántica de campos para entender cómo funciona?

0 votos

Pero si el bosón media una fuerza y la fuerza está ahí todo el tiempo, ¿no estaría la partícula -o más bien, la excitación- ahí todo el tiempo, también, para que cualquiera la viera?

0 votos

Deberías recurrir a la QFT para entender el campo de Higgs, y luego entender el bosón de Higgs como una excitación de ese campo. Sin embargo, ten en cuenta que el bosón de Higgs no media ninguna fuerza.

2voto

Hare Krishna Puntos 60

Por el principio de incertidumbre , si la incertidumbre en la posición es muy pequeña para sondear distancias menores entonces la incertidumbre en el momento es muy grande al igual que en la energía .y la energía es la inversa de la longitud en unidades naturales.por lo que sondear distancias menores requiere una energía muy alta.

la fuerza de las fuerzas fundamentales viene dada por sus constantes de acoplamiento. si la interacción es de largo alcance, como el electromagnetismo, entonces la partícula de intercambio es el fotón, que es muy ligero. de forma similar, en el caso de las fuerzas débiles, la partícula de intercambio es el fotón. Bosones W-Z son más masivos. viene dado de nuevo por el principio de incertidumbre.

Sí, estamos nadando en el campo de Higgs, es un campo de fondo que está por todo el universo, pero la masa del bosón de Higgs es muy alta (125,6 gev), por lo que se requiere una energía muy alta para crearlos en el laboratorio.

Sí, la gravedad está en todas partes, pero la detección inequívoca de gravitones individuales, aunque no está prohibida por ninguna ley fundamental, es imposible con cualquier detector físicamente razonable. La razón es la sección transversal extremadamente baja de la interacción de los gravitones con la materia.

i-Ciencias.com

I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.

Powered by:

X