Partículas sin Masa

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En física de partículas, una partícula sin masa es una partícula elemental cuya masa invariante es cero. Las dos partículas sin masa conocidas son bosones de norma: el fotón (portador del electromagnetismo) y el gluón (portador de la fuerza fuerte). Sin embargo, los gluones nunca se observan como partículas libres, ya que están confinados dentro de los hadrones. Originalmente se pensó que los neutrinos no tenían masa. Sin embargo, debido a que los neutrinos cambian de sabor a medida que viajan, al menos dos de los tipos de neutrinos deben tener masa. El descubrimiento de este fenómeno, conocido como oscilación de neutrinos, llevó al científico canadiense Arthur B. McDonald y al científico japonés Takaaki Kajita a compartir el premio Nobel de física de 2015.

Las partículas sin masa (luxones) tienen su masa en cero. Siempre moviéndose a la velocidad de la luz. Capaces de cambiar su dirección de movimiento , energía e impulso (por ejemplo, un fotón en un campo gravitatorio). No tienen análogo en la mecánica no relativista.

Nombre	Símbolo	Antipartícula	Girar	Interacción mediada	Existencia
Fotón	γ	Uno mismo	1	Electromagnetismo	Confirmado
Gluón	gramo	Uno mismo	1	Fuerte interacción	Confirmado
Gravitón	GRAMO	Uno mismo	2	Gravitación	Inconfirmado

Relatividad especial

El comportamiento de las partículas sin masa se entiende en virtud de la relatividad especial. Por ejemplo, estas partículas siempre deben moverse a la velocidad de la luz. En este contexto, a veces se denominan luxones para distinguirlos de bradiones y taquiones. En relatividad especial, masa en reposo significa masa invariante. La masa en reposo es la misma para todos los observadores con cualquier marco de referencia.

Dinámica

Se sabe que las partículas sin masa experimentan la misma aceleración gravitacional que otras partículas (lo que proporciona evidencia empírica para el principio de equivalencia) porque tienen masa relativista, que es lo que actúa como carga de gravedad. Por lo tanto, las componentes perpendiculares de las fuerzas que actúan sobre partículas sin masa simplemente cambian su dirección de movimiento, siendo el cambio de ángulo en radianes GM / rccon lentes gravitacionales, un resultado predicho por la relatividad general. La componente de fuerza paralela al movimiento todavía afecta a la partícula, pero cambiando la frecuencia en lugar de la velocidad. Esto se debe a que la cantidad de movimiento de una partícula sin masa depende solo de la frecuencia y la dirección, mientras que la cantidad de movimiento de objetos masivos de baja velocidad depende de la masa, la velocidad y la dirección (ver relación energía-cantidad). Las partículas sin masa se mueven en línea recta en el espacio-tiempo, llamadas geodésicas, y las lentes gravitacionales se basan en la curvatura del espacio-tiempo.

La interacción gluón-gluón es un poco diferente: los gluones ejercen fuerzas entre sí pero, debido a que la aceleración es paralela a la línea que los conecta (aunque no en momentos simultáneos), la aceleración será cero a menos que los gluones se muevan en una dirección perpendicular a la línea que los conecta, de modo que la velocidad es perpendicular a la aceleración.

Gravitones

Las teorías que postulan que la gravedad está cuantificada introducen gravitones, bosones tensoriales sin masa (con un giro de 2) que median en la interacción gravitacional. No hay evidencia experimental directa que respalde su existencia. Sin embargo, se puede inferir evidencia indirecta de gravitones a partir de ondas gravitacionales.

Propiedades

Cualquier partícula sin masa sólo puede moverse a la velocidad de la luz . Esto se sigue del hecho de que, según las fórmulas de la teoria de la relatividad para la energía $E={\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}$ y el impulso $p={\frac {mv}{{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}}$ velocidad $v$ partícula se define a través de su momento $pags$ , masa $metro$ y la velocidad de la luz $C$ proporción $v={\frac{pc^{{2}}}{E}}$ , donde $E=c{\raíz cuadrada {p^{{2}}+m^{{2}}c^{{2}}}}$ es la energía de la partícula. En el caso de una partícula sin masa $metro=0$ , luego $E=c\mid p\mid$ y, de la ecuación $v={\frac{pc^{{2}}}{E}}$ obtenemos $\mid v\mid =c$ . Tal partícula no puede estar en reposo: puede nacer (irradiarse), moverse a la velocidad de la luz y luego destruirse (absorberse).

Cualquier partícula que se mueva a la velocidad de la luz solo puede ser sin masa. Esto se sigue de la fórmula $v={\frac{pc^{{2}}}{E}}$ . Cuándo ${\ estilo de visualización v = c}$ obtenemos $E=c\mid p\mid$ y, de la ecuación $E=c{\raíz cuadrada {p^{{2}}+m^{{2}}c^{{2}}}}$ obtenemos $metro=0$ .

Las partículas sin masa se describen mediante representaciones irreducibles del grupo de pointare . De ello se deduce que no pueden estar en un estado de energía cero. También se deduce que los valores del espín de las partículas sin masa solo pueden ser enteros o semienteros.

El término "sin masa" no refleja con precisión la naturaleza de tal partícula. Según el principio de equivalencia masa - energía , una partícula sin masa con energía $mi$ tiene una masa equivalente $m={\frac{E}{c^{2}}}={\frac{p}{c}}$ , que no está relacionado con su masa cero en reposo. La masa de un sistema físico que emite una partícula sin masa disminuye en la cantidad $metro$ , y la masa del sistema físico que ha absorbido una partícula sin masa en el momento de la absorción aumenta en $metro$ . Debido al principio de equivalencia de masa inercial y gravitacional , todas las partículas sin masa participan en la interacción gravitatoria . Las manifestaciones observadas experimentalmente de la interacción gravitacional para partículas sin masa son el cambio en su energía ( corrimiento al rojo gravitacional ) y la dirección de propagación ( desviación gravitatoria de la luz ) en un campo gravitatorio.

Las partículas sin masa tienen una helicidad de cantidad invariante de Lorentz conservada especial . La helicidad es la proyección del giro de la partícula sobre su impulso . Si un campo sin masa irreducible está dado por una representación del grupo de Lorentz $(j_{{1}},j_{{2}})$ , entonces sus cuantos son partículas de helicidad sin masa $\lambda =j_{{1}}-j_{{2}}$ ( Teorema de la helicidad de Weinberg ).

Una diferencia importante entre las partículas masivas y sin masa con espín es que las partículas masivas con espín $j$ tener $2j+1$ estados de polarización $-j,-j+1,...,j-1,j$ , y para una partícula sin masa con espín $j$ solo son posibles dos estados de polarización $-j,j$ , que son su helicidad.

Para todas las partículas sin masa, el concepto de paridad intrinseca no existe.

Para partículas sin masa con espina distinto de cero, el concepto de momento angular orbital no existe.

La explicación de la ausencia de partículas sin masa con espín cero en la naturaleza es un problema no resuelto de la física teórica.

La velocidad de las partículas virtuales, incluidas las sin masa, no tiene significado físico. Esto se deduce del hecho de que la velocidad $v$ partícula se define a través de su momento $pags$ , energía $mi$ y la velocidad de la luz $C$ proporción $v={\frac{pc^{{2}}}{E}}$ . Por ejemplo, para fotones virtuales intercambiados entre un protón y un electrón en un átomo de hidrógeno, el momento 0">, energía $mi=0$ . Al sustituir en la fórmula $v={\frac{pc^{{2}}}{E}}$ de estos valores para la velocidad se obtiene un valor infinitamente grande.

La masa de partículas virtuales, incluidas las sin masa, no tiene significado físico. Esto se sigue de la relación entre la masa $metro$ , energía $mi$ , impulso $pags$ y la velocidad de la luz $C$ 0">, energía $mi=0$ . Al sustituir en la fórmula $metro$ se obtiene un valor imaginario.

Partículas sin masa conocidas

Fotones . La única partícula sin masa existente completamente confiable. Tanto su existencia como su falta de masa se confirman experimentalmente, además, se argumentan con mucha fuerza experimentalmente (la diferencia de la masa del fotón con respecto a cero conduciría a ladispersión de ondas electromagnéticas en el vacío, lo que mancharía las imágenes observadas de las galaxias en el cielo) y teóricamente (enla teoría cuántica de campos se demuestra que si la masa del fotón no fuera igual a cero, entonces las ondas electromagnéticas tendrían tres, y no dos, estados de polarización , debido al hecho de que las partículas masivas con espín $j$ tener $2j+1$ estados de polarización $-j,-j+1,...,j-1,j$ , y para una partícula sin masa con espín $j$ solo son posibles dos estados de polarización $-j,j$ , espín de fotones $j=1$ ). Sin embargo, desde el punto de vista de la experimentación y las observaciones, por supuesto, sólo se puede hablar del límite superior de la masa (las observaciones de los campos magnéticos galácticos dan el valor dela longitud de onda Compton de un fotón $\lambda _{{k}}={\frac {\hbar}{mc}}\geq 10^{{22}}$ cm, lo que da un límite superior para la masa de un fotón $3,5*10^{{-60}}$ gramo. ) Un análogo de estados $s, p, d,...$ con ciertos valores del momento angular orbital $yo$ para el fotón son los multipolos de fotones .

gluones _ Si existen gluones, entonces no tienen masa, pero hasta ahora su existencia puede estar bajo alguna duda, ya que hay algunas dudas (no demasiado grandes) en la teoría donde se introducen teóricamente:cromodinamica cuantica y gluones libres no se observan (aparentemente , debería ser así en total conformidad con la teoría, pero esta última no ha sido probada matemáticamente).
Gravitones . Si existen gravitones, es casi seguro que sean partículas sin masa, más precisamente, su masa debe ser al menos muy pequeña, esto se deduce de la ley de la gravitación universal y las observaciones de los púlsares binarios. Las observaciones del decaimiento del movimiento orbital en púlsares binarios confirman indirectamente la existencia deondas gravitacionales predichas por la teoría de la relatividad general , y el acuerdo cuantitativo de estas observaciones con las prediccionesde la relatividad general indica que el límite superior de la masa del gravitón está determinado por la frecuencia $10$ horas, $m={\frac{\hbar\nu}}{c^{{2))))$ cm, lo que da un límite superior para la masa del gravitón $3,5*10^{{-53}}$ gramo. Además, dado que se realizaron observaciones simultáneas de la llegada de ondas gravitacionales y un pulso de luz del evento que las generó, un objeto muy distante, se demostró que la velocidad de propagación de la gravedad es exactamente igual a la la velocidad de la luz, y esto automáticamente da la masa del gravitón = 0. Pero la cuestión de su existencia permanece abierta en el sentido de que no han sido detectados experimentalmente y es poco probable que se detecten en un futuro previsible como partículas individuales. Las ondas gravitacionales , que son (teóricamente) la primera manifestación realmente observada de gravitones no virtuales, se complace en la practica .

Anteriormente consideradas sin masa

neutrino . Durante mucho tiempo se cree que los neutrinos tenían masa en reposo cero. Sin embargo, en la actualidad, numerososexperimentos de oscilación con neutrinos solares, atmosféricos, de reactores y de aceleradores han demostrado de forma fiable que tienen una masa en reposo pequeña pero distinta de cero (menos de 0,28eV , pero no cero para todos sus tipos).

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