Avanzado Partículas

Me gustaría debatir el concepto actual de partícula. Ni en relatividad ni en electromagnetismo se habla de partículas si no es de masas o cargas puntuales o de sus distribuciones espaciales, pero ese concepto no coincide con el concepto moderno de partícula, no al menos con el concepto de partícula elemental. Debe entenderse por lo tanto que dicho concepto está derivado de la mecánica cuántica (si no estoy equivocado la mecánica ondulatoria y la mecánica cuántica son teorías distintas aunque muy relacionadas), pero realmente ¿que es una partícula? Es un concepto que se usa a menudo en ambas teorías pero no he sido capaz de encontrar una definición suficientemente específica. Lo más parecido a dicho concepto es el de paquete de ondas, pero tampoco he sido capaz de aclarar qué es lo segundo así que me gustaría si fuera posible aclarar dicho concepto. La idea es ir al concepto físico que da pie a todas las formulaciones anteriores o posteriores sobre su comportamiento, conozco los fundamentos más elementales de la mecánica cuántica, aunque me resulta muy difícil pasar de ahí, así que no es mi intención al menos por ahora recibir una magistral lección sobre la ecuación de onda de Schrödinger y sus soluciones, sobre lo que es la función de onda, sobre la hipótesis de De Broglie o sobre el principio de indeterminación de Heisemberg, etc. Quisiera ir directamente al grano, es decir, al concepto de partícula, si fuera posible.

Supongo que es lícito hacerse la siguiente pregunta como aperitivo, cuando un físico afirma que en una cierta región del espacio existe una partícula es porque en esa región ocurre algo que no ocurre fuera de ella, ¿qué es lo que ocurre si puede saberse?

Salu2 y gracias, Jabato.

[Julián]

Re: Partículas

Buena pregunta, a mi entender partícula hace referencia a una localización espacial. Que en el caso de partículas elementales dependerá del proceso de medición. Y ahí entra la dualidad onda partícula porque mientras más localizado esté el paquete de ondas más comportamiento particular tendrá. En los detectores de partículas, estas son lo que son porque dejan un rastro y eso es una localización espacial en las cámaras de burbujas.

Las trayectorias circulares se deben a que el detector presenta un campo magnético y de esa manera se puede diferencias las partículas con carga.
No sé como se entiende por partícula en la teoría cuántica de campos por qué los campos están formados por un conjunto de partículas, denominados osciladores armónicos. Pero a su vez interpreto que para un campo (como el campo de higgs) se entiende por partícula a las perturbaciones de dicho campo (bossón de higgs). Y además, al parecer la teoría cuántica de campos no se aplica para los fermiones, debido al principio de exclusión de pauli.

[teclado]

Re: Partículas

Yo diría que una partícula es todo aquello que obedece a la ecuación de Schrödinger. Para esto debe poder asociarse un estado al candidato a partícula, es decir una función de onda de las coordenadas espaciales de cuadrado integrable, y un hamiltoniano que actúe sobre éste como $\hat{H}\psi=-i\hbar\frac{\partial\psi}{\partial t}$.

[visitante20160513]

Re: Partículas

Todo muy claro, osea, NPI, ¿no? Por cierto ya había visto las fotos de los detectores de cámara de burbujas, pero la verdad es que no se como funcionan, una sucinta explicación vendría bien.

Salu2, Jabato.

[abuelillo]

Re: Partículas

Yo diría que una partícula es todo aquello que obedece a la ecuación de Schrödinger. Para esto debe poder asociarse un estado al candidato a partícula, es decir una función de onda de las coordenadas espaciales de cuadrado integrable, y un hamiltoniano que actúe sobre éste como $\hat{H}\psi=-i\hbar\frac{\partial\psi}{\partial t}$.

Lo malo es que eso solo vale para particulas con masa y a poca velocidad, un foton no tiene ecuacion de shrodinger, no se le puede asociar un estado, ni siquiera tiene observable posicion, cuando un photon se "observa" cual es el vector propio o eingenstate en el que queda ? No existe, los fotones se destruyen, o quizas seria mejor decir que ya no existian de principio y son simplemente un efecto, la forma en que dos campos intercambian energia.

[guibix]

Re: Partículas

Todo muy claro, osea, NPI, ¿no? Por cierto ya había visto las fotos de los detectores de cámara de burbujas, pero la verdad es que no se como funcionan, una sucinta explicación vendría bien.

La verdad es que no tengo ni idea de como funciona realmente, pero creo que sigue un principio parecido al de la cámara de niebla, aunque supongo que será algo más complejo.

Respecto a la definición, supongo que hay varias según el campo que se estudie, pero yo diría que definir una partícula como la perturbación de uno o varios campos es bastante apropiada en el contexto de la Teoría Cuántica de Campos. Aunqué lo más probable es que me quede corto xd.

Salud.

[visitante20160513]

Re: Partículas

Podías especificar algo más, una perturbación de que propiedad de un campo, ¿su intensidad? ¿de qué tipo de campo?

Salu2, Jabato.

- - - Actualizado - - -

Por lo que he podido leer los detectores de partículas se basan la mayoría en las consecuencias que tiene, en un entorno adecuado, la ionización de las partículas de un gas inerte cuando es atravesado por una cierta partícula. La detección de esa ionización es la que se utiliza para determinar la trayectoria posición y velocidad de la partícula, supongo. Las técnicas empleadas son de muy diversos tipos, gases supersaturados y superenfriados, campos eléctricos intensos muy próximos a producir descargas disruptivas, etc. En el momento de producirse la ionización de los átomos del gas entonces se produce el efecto buscado, la chispa, la condensación del gas, etc. El resultado es que en dichos detectores se puede ver la traza de las partículas cuando atraviesan el gas, pero el orígen de la perturbación siempre parece ser el mismo, la ionización de los átomos de un gas inerte cuando una partícula viajera choca con alguno de sus átomos.

Salu2, Jabato.

[jinawee]

Re: Partículas

Habría que añadir la clasificación de Wigner según la representaciones irreducibles del grupo de Poincaré, esto lo trata Weinberg en su primer tomo sobre QFT. Aunque no creo que exista una definición totalmente satisfactoria.

[visitante20160513]

Re: Partículas

¿Podríamos decir entonces que la mecánica cuántica está en mantillas en lo concerniente a nivel teórico?
¿Qué son los paquetes de ondas? ¿Puede identificarse a nivel teórico un paquete de ondas con una partícula?
¿Que son los paquetes de energía? ???

Todo esto son expresiones difusas, puesto que al parecer nadie sabe explicar muy bien lo que son, pero que aparecen sistemáticamente en la mayoría de textos de la mecánica cuántica. Al menos de los que han pasado por mis manos. En mi opinión son demasiadas preguntas sin responder. No digo que la teoría no explique satisfactoriamente la mayoría, sino la totalidad, de los fenómenos físicos conocidos, pero los fundamentos de dicha mecánica dan la impresión de que son poco sólidos, o que están poco fundados en una cierta lógica racional.

Salu2, Jabato.

[Julián]

Re: Partículas

Como perturbación del campo se considera a las variaciones de sus valores en el espacio. No conozco bien el formalismo matemático pero entiendo que con los operadores diferenciales (divergencia, rotacional, laplaciono, gradiente) es insuficiente sino que las perturbaciones del campo siguen ciertas simetrías, entre ellas las simetrías de gauge.

¿Podríamos decir entonces que la mecánica cuántica está en mantillas en lo concerniente a nivel teórico?

Me parece que es la teoría cuántica de campos, la mecánica cuántica a mi entender está bien fundada teóricamente y experimentalmete. Pero cuando intervienen grandes niveles energéticos como en un acelerador de partícula ahí cambia un poco la cosa porque hay que considerar las cuestiones relativistas.

Los paquetes de ondas son un conjunto de ondas que interfieren entre ellas, dando la interferencia constructiva en una región finita del espacio y una localización de las propiedades, lo que le confiere la propiedad (o apariencia si se quiere decir) de partícula.

[visitante20160513]

Re: Partículas

Luego ¿es correcto pensar que una partícula no es más que un cierto paquete de ondas que interfieren mutuamente? Aunque la pregunta del millón es otra, si tal cosa es cierta entonces ... ¿que tipo de ondas son las que deben interferir para que se obtenga una partícula real?

[Julián]

Re: Partículas

¿que tipo de ondas son las que deben interferir para que se obtenga una partícula real?

Del mismo tipo.

Pero me parece que cuando se habla de por ejemplo un electrón como una dualidad onda partícula, este calificativo se refiere al comportamiento del mismo y a partir de ahí el modelo (representación) que se haga del mismo. Un electrón es un electrón. Pensando en un electrón como parté de una corriente en un cable, vamos a observar que el cable se calienta y esto según el modelo físico lo podemos explicar con las colisiones de estos con los átomos fijos del metal, acá hay un comportamiento de partícula porque en un "choque" implica localización, se tienen que encontrar el electrón con el átomo (luego entra en juego la probabilidad de los choques y todo eso). En cambio cuando se hace el experimento de la doble rendija (en la universidad he realizado trabajos difracción pero con laser no con electrones) se disparan 1 electrón a la vez y en el camino se ponen dos aberturas, un comportamiento localizado implicaría que en el detector del otro lado de las aberturas solo los detecte en las trayectorias rectas a las aberturas pero se observa que se detectan en muchas más regiones dando un comportamiento de difracción y de no seguir una localización espacial. Es un comportamiento ondulatorio (según la definición matemática de onda que se desarrolló antes de observar esta propiedad del electrón).
Así que yo me quedo con que las entidades fundamentales son lo que son. Cuando desarrollo un circuito eléctrico pienso a la corriente como un flujo de partículas y a las radiaciones electromagnéticas en las antenas y las guias de onda como ondas, aunque sé que ambas cosas se pueden comportar como inversas, en lo que yo las uso me sirven así. En cambio cuando analizo un diodo efecto tunel es imposible que exista una corriente según el modelo del diodo que se tomó y es donde se observa que las cargas se comportan como ondas en la zona de juntura para poder sortear la barrera de potencial. Es decir, en ese caso no se considera la localizacion de la partícula. Primero la partícula está en una región A y de repente aparece en la otra, región B y necesitó una energía que no tenía para ir de A a B entonces "se dice" que se comportó como onda por ende no estaba localiza en A ni tampoco en B y por ende no tiene problemas con una barrera de potencial y cuando se la observa en B ahí tomá el comportamiento de partícula.
Aclarando soy técnico en electrónica.

[alshain]

Re: Partículas

En el marco de la teoría cuántica de campos las partículas son excitaciones localizadas de los campos libres. Dicho de otra forma: son paquetes de ondas resultado de la suma de ondas planas, las cuales son autoestados del hamiltoniano de los campos libres. Campos libres, sin interacción, significa en la práctica que medimos partículas poniendo el detector lejos de la zona de interacción. En la zona de la interacción los campos interactúan, no son libres, y lo que ocurre es difícilmente representable por medio de partículas; de ahí esas series interminables de diagramas de Feynman con partículas virtuales por aquí y por allá, que son un intento de representar ese fenómeno de interacción en términos conocidos.

[visitante20160513]

Re: Partículas

Bien, pero mi pregunta queda sin contestar, que tipo de ondas son las que deben producirse para poder afirmar que tenemos una partícula. Cuando pregunto que tipo de ondas me refiero a cual es la magnitud que debe variar como una onda para que podamos decir que tenemos una partícula viajando por una determinada región del espacio.

A veces me imagino que las partículas se mueven por el espacio como si viajaran por encima o por debajo de una alfombra. Cuando viajan por encima podemos verlas y determinar sus propiedades, pero cuando viajan por debajo solo podemos ver la deformación que producen en la alfombra y establecer la probabilidad de encontrarlas en función de la distorsión que provocan en la alfombra. Es como si a veces la partícula fuera detectable y otras veces solo pudiéramos ver la distorsión que producen en el espacio (espacio-tiempo), que sería la alfombra.

Salu2, Jabato.

[carroza]

Re: Partículas

Bien, pero mi pregunta queda sin contestar, que tipo de ondas son las que deben producirse para poder afirmar que tenemos una partícula. Cuando pregunto que tipo de ondas me refiero a cual es la magnitud que debe variar como una onda para que podamos decir que tenemos una partícula viajando por una determinada región del espacio.

Hola. En Teoría Cuántica de Campos, que es la teoría (comprobada experimentalmente) más fundamental de que disponemos, lo que hay son distintos campos. A partir de cada campo, haciendo un procedimiento matemático llamado segunda cuantización, similar al análisis de fourier, obtenemos estados cuánticos del campo con propiedades (momento y energía) análogos a los de una partícula.

A partir del campo electromagnético, obtenemos el fotón.

A partir del campo electrónico, obtenemos el electrón y el positrón.

A partir del campo muónico, obtenemos el muón y su antipartícula.

etc, etc.

Si echamos la cuenta, en la naturaleza tenemos 12 campos vectoriales (llamados campos gauge), 24 campos espinoriales, y un campo escalar.

Los doce campos vectoriales están asociados a 12 partículas de espín 1: El fotón, la W+, W-, Z0, y ocho gluones.

Los 24 campos espinoriales están asociados a 24 partículas de espín 1/2: 6 leptones (electrónj, muón, tau y sus neutrinos), y 6 quarks (u, d, c, s, t, b), que pueden estar en tres estados de color cada uno.

El campo escalar está asociada a una partícula de espín cero, descubierta recientemente, llamada bosón de Higgs.

Saludos