¿Es realmente una partícula?

Question

Perdonen la pregunta estúpida, pero al colisionar partículas entre sí, ¿cómo se sabe que una partícula es realmente una nueva forma de materia subatómica y no simplemente un fragmento destrozado de la partícula mayor?

No tengo conocimientos de teoría cuántica, no pretendo entender más que conceptos abstractos y las matemáticas están más allá de mi comprensión. Pero nunca he oído a nadie explicar cómo sabe que ha descubierto una nueva partícula y no un fragmento destrozado de algo más grande.

Si lanzo una pelota de béisbol a una ventana de cristal, espero que la ventana se rompa en trozos de cristal más pequeños. Sigue siendo de cristal. ¿Por qué no ocurre lo mismo a nivel subatómico? Es cierto que las partículas son demasiado pequeñas para observar su comportamiento, pero ¿cómo se puede saber que un núcleo dividido de un átomo no es más que un fragmento destrozado de un conjunto mayor que, a su vez, podría destrozarse aún más?

Answer 1

Cada partícula tiene ciertas propiedades (por ejemplo, masa, espín, carga, etc.) y comportamientos atribuidos. En un colisionador de partículas, se pueden medir las propiedades de las partículas que detecta. La idea es determinar (estadísticamente) si las propiedades que observa son consistentes con las propiedades que conoce (o espera) de cada partícula. Esto no es fácil, y es una gran parte de la razón por la que los detectores son tan complicados (y caros), porque tienen que ser capaces de medir las propiedades con mucha precisión para determinar -con confianza- lo que realmente ocurrió. Además, esta es la razón por la que los experimentos con partículas requieren lotes de los resultados. El hecho de que un acontecimiento coincida o no parezca coincidir bien, no significa que haya algo extraño. Hay que ver lotes de ejemplo para decir, con confianza, que sabes lo que está pasando.

Considere una analogía: Alguien tiene una colección de pelotas deportivas (pelotas de béisbol, baloncesto, pelotas blandas, pelotas de fútbol, pelotas de bolos, etc.), que está lanzando a un bateador. Quieres saber qué pelota golpea el bateador, basándote en ciertos datos (digamos que no puedes ver lo que golpea el bateador). Si oyes un fuerte crujido, puedes decir que probablemente no era una pelota de tenis. Si la pelota vuela fuera del parque, probablemente puedes decir que no era una bola de bolos. Si el bateador golpea muchas pelotas fuera del parque, pero un determinado grupo de pelotas parece aterrizar siempre a menos de 6 metros de él, puedes decir que probablemente sean no bolas de béisbol --- pero son consistente con lo que se imagina para las pelotas de baloncesto, o de fútbol o algo así. Por último, si ocurre algo inesperado, como que golpea una pelota, pero se queda pegada al bate, podrías pensar que hay una pelota con la que no estás familiarizado: un nuevo tipo de pelota. Pero también querrías que ese tipo de suceso ocurriera varias veces para estar seguro de que no es una casualidad.

Answer 2

Por debajo del nivel atómico, la materia no se comporta de la misma manera divisible que la materia macroscópica, sino que muestra signos de indivisibilidad no visibles a escalas mayores.

Esta indivisibilidad es de naturaleza cuántica, y tiene una base en las matemáticas de las representaciones de grupos. Todas las piezas de materia en movimiento están descritas por un espacio de Hilbert que lleva una representación unitaria del grupo de Poincare, el grupo de simetría local del universo. Dividir una pieza de este tipo equivale a dividir la representación en varias representaciones.

Pero esto sólo puede hacerse hasta cierto punto, ya que hay representaciones irreducibles que no pueden dividirse. Éstas se comportan como los números primos de la teoría numérica, que no se pueden dividir en números enteros más pequeños.

Por tanto, podemos decir matemáticamente si una partícula es elemental: lo es si está descrita por una representación unitaria irreducible del grupo de Poincare. Estas representaciones fueron clasificadas en 1939 por Wigner, y las que son consistentes con las leyes físicas observadas (en particular la causalidad) se caracterizan por la masa (no negativa) y el espín (hafineral). Por lo tanto, éstas caracterizan a una partícula elemental. (Debido a los grupos de simetría internos puede haber números cuánticos adicionales, como las cargas, que especifican una representación irreducible del grupo de simetría completo).

La única forma en que una partícula elemental puede dividirse es obteniendo de las interacciones con las partículas circundantes la energía y el momento (y los grados de libertad) suficientes para producir varias otras representaciones irreducibles - entonces ''decae'' en las partículas correspondientes. Pero éstas se crean en el proceso de desintegración, y no eran ''parte'' de la partícula original.

A veces se encuentran así nuevas partículas, que viven durante un tiempo muy breve antes de volver a descomponerse. Que la partícula es nueva puede deducirse de sus números cuánticos observados (masa, espín y cargas): es nueva si éstos difieren significativamente de los de las partículas conocidas.

Answer 3

La zona de las partículas que se estrellan está rodeada de detectores. Lo que es capturado por los detectores es una partícula (yo diría "por definición" para simplificar). Provoca alguna reacción dentro del detector. Por ejemplo, puede ser un rastro de burbujas en la cámara Wilson. La forma y otros parámetros de este rastro dependen del tipo de partícula. Se sabe por numerosos experimentos que sólo hay un número limitado de tipos de trazas, y por lo tanto sólo hay un número limitado de partículas que pueden ser detectadas directamente (es decir, cada tipo de traza se asocia con algún tipo de partícula, como el electrón o el protón. Todos los electrones dan lugar a formas de traza similares al cruzar la cámara Wilson). Por lo tanto, la primera "clase" de partículas comprende aquellos casos que pueden ser detectados directamente. Llamemos a las partículas "reales".

También existe otra "clase" de partículas que no se pueden detectar directamente. Los físicos piensan que también son partículas por dos razones:

1. Los físicos desarrollaron un modelo que explica por qué esta partícula decae en cierta combinación de partículas "reales" que pueden ser detectadas directamente.
2. Las predicciones cuantitativas de este modelo son coherentes con los datos experimentales.

Ejemplos de estas partículas son los bosones W y Z, así como el número de las llamadas "resonancias" (presumiblemente partículas de corta vida), etc. Y también el bosón de Higgs, por supuesto.

De hecho, el colisionador es una especie de caja negra: hay partículas "reales" en la entrada y en la salida, pero sólo podemos adivinar lo que ocurre dentro. El proceso de "adivinación" es explicado en principio por @zhermes.

Esto, a su vez, nos lleva a otra pregunta:

¿Por qué algunas partículas no se pueden detectar directamente?

Puede haber varias razones para ello:

a) nuestros detectores no son lo suficientemente buenos

b) las partículas tienen una vida demasiado corta (lo que de hecho equivale a la razón (a))

c) por algunas razones "fundamentales" (normalmente se utilizan argumentos de mecánica cuántica)

Francamente, no sé por qué razón, por ejemplo, los bozones W y Z no se pueden detectar directamente.

Y por último (pero no menos importante): Admito que posiblemente esas partículas no "reales" no sean de hecho partículas según la definición rigurosa (configuraciones de campo que realizan representaciones irreducibles del grupo de Poincare en el espacio de Minkowsky o algo así). Admito que podrían ser "fragmentos destrozados" de partículas "reales".

Pero la física moderna es incapaz de establecerlo. Porque nuestros modelos se desarrollaron basándose en experimentos de tipo colisionador (es decir, partículas "reales" que entran y salen de la caja negra). Y todos los modelos se basan en la lógica de la "caja negra": la cuantización. ¿Sabes lo que es la cuantización? Es un conjunto de números que conectan las entradas y salidas de la caja negra. Un círculo vicioso. Por eso estos modelos son inútiles para identificar las propiedades de las partículas "reales" aisladas y sin movimiento (masa, carga ets.).

Answer 4

Existe una definición técnica de partícula en el Modelo Estándar [*] . Mediante la masa, el espín y la carga podemos caracterizar cada una de las partículas elementales, ya sean conocidas (por ejemplo, el fotón) o teóricas (por ejemplo, el gravitón).

Si rompes tu ventana de cristal en trozos suficientemente grandes obtienes trozos de cristal, pero si vuelves a romper esos fragmentos una y otra vez, hay un límite en el que los elementos rotos no son más cristal, sino átomos individuales con propiedades completamente diferentes. Tu ventana de cristal está hecha de miles de millones y miles de millones de átomos y por eso puedes romperla en docenas de trozos de cristal más pequeños (cada uno de los cuales contiene miles de millones y miles de millones de átomos), pero una partícula compuesta como el protón está hecha de sólo tres quarks y no puedes romperla en una docena de protones más pequeños (¡porque no puedes formar grupos de tres quarks con sólo tres quarks!)

[*] Una partícula elemental se define en términos de representaciones irreducibles del grupo de Poincaré.

Answer 5

Los científicos no sabían con certeza si los materiales estaban formados por partículas de tamaños específicos, o simplemente por trozos de tamaño arbitrario como fragmentos de vidrio, hasta hace poco más de 100 años. Los químicos habían determinado, a través de cuidadosas mediciones, que los materiales tenían reacciones químicas en proporciones específicas, pero eso por sí mismo no demostraba que los átomos o las moléculas existieran tal y como los entendemos hoy. Sólo más tarde los cálculos teóricos demostraron que las fórmulas basadas en la idea de que la materia está siempre compuesta por partículas de tamaños específicos hacían predicciones muy precisas. Los experimentos posteriores demostraron que la carga y otras propiedades siempre se presentan en incrementos específicos que corresponden a tipos específicos de partículas.