Partículas virtuales I

Es difícil en poco tiempo y con pocas ecuaciones explicar que es una partícula real y virtual. Mi atrevimiento es más grande que mi conocimiento y esto me lleva a…

Para empezar tenemos que encontrar una unidad de energía apropiada para la escala atómica. La unidad adecuada es el electrón voltio (eV), donde 1eV =1,6·10^-19 J. Según la unidad de eV, la escala energética nuclear usualmente esta en millones de eV, que se denomina Mega eV (MeV) y a la escala de partículas fundamentales esta en miles de millones de eV, que se denomina GigaeV (GeV)

Cuando chocan dos camiones, la energía de la colisión es de alrededor de 30 mil billones de GeV (giga electronvoltios o mil millones de electronvoltios), actualmente el LHC (Large Hadron Collider) en el CERN pretende llegar a 14 TeV (Tera electronvoltios) que son 14 billones de electrón-voltios, que son 14000 GeV, provocando la colisión entre dos partículas fundamentales. Es decir una colisión entre dos camiones genera unos 2 billones más de energía que la que generara el LHC en pleno funcionamiento.

Hay una diferencia fundamental entre la colisión entre dos camiones y dos partículas fundamentales. En el choque de camiones no se crea ninguna partícula, existen las mismas antes y después de la colisión. No se ha creado ninguna partícula nueva. En cambio en la colisión entre partículas fundamentales se crean partículas nuevas. Por ejemplo, en la colisión entre un protón y otro protón se crean cerca de un centenar de partículas con una energía de 600 GeV. ¿Cómo es posible esto?, la respuesta esta en que la colisión entre camiones es consecuencia de la dinámica clásica (macroscópica) y la colisión entre partículas de la dinámica cuántica (microscópica). Las dos dinámicas cumplen las leyes de la conservación de la energía y la cantidad de movimiento, pero con una diferencia, se atreven a imaginar cual es…

El tiempo de colisión. La duración del choque entre camiones es enorme comparado con el tiempo que dura la colisión entre partículas. También podemos verlo a partir de la velocidad, las colisiones entre las partículas individuales entre un camión y el otro es muy pequeña, extremadamente pequeña puesto que la velocidad es muy lenta, 1/10.000.000 la de la luz. La clave para entender cómo se crean las partículas está en la energía y el tiempo. La relación entre la energía y el tiempo en el mundo cuántico lo decide la desigualdad o principio de indeterminación de Heisenberg. El cual nos permite entender la naturaleza dual onda-partícula de la radiación y la materia, pero esta es otra historia.

El principio de indeterminación de Heisenberg entre la energía y el tiempo es

Donde ΔE es la indeterminación en la energía y Δt es la indeterminación en el tiempo. Un sistema que permanece en un estado estable durante un largo tiempo Δt su dispersión en la energía ΔE es pequeña. Per ejemplo, si la vida media de una partícula es de 10^-22 s, la indeterminación en su energía es de unos 3,3 MeV. Generalmente se explica de la siguiente manera. Supongamos que existe un banco cuántico de energía que funciona de manera muy distinta a un banco clásico. El banco cuántico puede prestarte la cantidad de energía que quieras, solo impone una condición, si la energía es muy grande tienes que devolverla en muy poco tiempo, en cambio si la energía que pides es pequeña dispones de más tiempo para devolverla. Es decir, siempre tienes que devolver al banco cuántico la misma cantidad de energía que te presta, el precio a pagar es el tiempo.  Es como el cuento de la Cenicienta, se puede ser princesa e ir al baile en una carroza solamente durante un tiempo, hasta las 12 de la noche, entonces la carroza vuelve a ser una calabaza.

Esto es importante para entender cómo se producen las fuerzas, en particular la fuera electromagnética. Según la física clásica la fuerza entre partículas cargadas viene descrita por la ley de Coulomb. En la física cuántica la interacción entre partículas cargadas se describe mediante la emisión y absorción de fotones. Dos electrones se repelen entre sí cuando uno emite un fotón y el otro lo absorbe. Es como si un patinador sobre hielo lanzara una pelota a otro patinador, los dos se separarían debido al impulso generado por la pelota.

Si la fuerza electromagnética entre partículas viene determinada por los fotones, ¿de dónde salen? ¿De dónde proviene la energía para crearlos?. Justamente la indeterminación Energía-Tiempo de Heisenberg permite la creación de un fotón con una determinada energía ΔE siempre que viva solamente durante un tiempo Δt. Como en el ejemplo anterior, si la interacción entre partículas dura solamente un tiempo de 10^-22 s, la energía del fotón puede ser de hasta 3,3 MeV. Un fotón que existe durante un corto tiempo debido a la indeterminación de Heisenberg se le denomina fotón virtual.

Una partícula libre y estable, es decir, que no interacciona con ningún campo externo o con otras partículas, se puede considerar que tiene un tiempo de vida infinito Δt = ∞ y en consecuencia su indeterminación en la energía es cero ΔE = 0. En el sistema de referencia de la partícula significa que su energía es Mc². En otro sistema de referencia en donde la partícula no está en reposo su energía total E y la cantidad de movimiento P cumplen la condición

a esta partícula se la denomina real. En contraposición una partícula que tiene solamente una breve existencia y no se encuentra libre de campos externos, como electromagnéticos o gravitatorios, entonces el principio de indeterminación de Heisenberg indica el valor de su energía y no cumple la ecuación anterior de la energía. A esta partícula se la denomina virtual.

Las partículas virtuales tienen efectos impresionantes en la construcción del vacío cuántico. Se lo cuento en otro post, este ya viene muy cargado.

Encontraran la continuación en «Partículas Virtuales II«