¿Por qué los electrones, según mi libro de texto, existen para siempre?

¿Significa eso que los electrones son infinitamente estables? Los neutrinos de los tres leptones también se enumeran con una vida media de infinito.

Además, quizás solo haya un solo electrón que siga viajando hacia atrás (como positrón) y hacia adelante a través del tiempo;)
Eso solo funciona para eventos de producción/anilación de pares, @HagenvonEitzen. La interacción débil en particular torpedea que, como se explica en el resto de la anécdona a la que hace referencia (tal como lo contó Feynman sobre una conversación telefónica. No fue su idea; tales afirmaciones son erróneas).
Esta es exactamente la razón por la que odio los electrones. "Siguen dando vueltas para siempre". Cierto, claro, movimiento perpetuo, como si yo lo creyera. Los electrones son malos. Creo que solo están inventados y en realidad no existen, como los gremlins. Oh, no, espera, en realidad no están girando porque en realidad son una nube, no, espera, en realidad son olas. Es solo BS apilado en BS.
@HagenvonEitzen, los positrones no viajan hacia atrás en el tiempo. Sólo el taquión teórico hace eso.
Técnicamente, los neutrinos se descomponen continuamente entre sí: en.wikipedia.org/wiki/Neutrino_oscillation

Respuestas (4)

Imagina que eres un electrón. Has decidido que has vivido lo suficiente y deseas decaer. ¿Cuáles son sus opciones, aquí? Gell-Mann dijo que en la física de partículas, "todo lo que no está prohibido es obligatorio", por lo que si podemos identificar algo en lo que pueda decaer, debe hacerlo.

Iremos a su propio marco de reposo: cualquier decaimiento que pueda hacer tiene que ocurrir en todos los marcos de referencia, y es más fácil/más limitante hablar sobre el marco de reposo del electrón. En este marco, no tiene energía cinética, solo energía de masa en reposo igual a aproximadamente 511 keV. Entonces, cualquier cosa a la que se desintegre tiene que tener menos masa en reposo que eso: puede decaer a una partícula de 300 keV y darle 100 keV de energía cinética, pero no puede decaer a una partícula de 600 keV. (No hay forma de compensar esto con energía cinética, no hay energía cinética negativa). Desafortunadamente, todos los demás leptones cargados y todos los quarks son más pesados ​​que eso. Entonces, ¿qué opciones nos deja eso? Bueno, hay partículas sin masa (fotón, gluón, gravitón). También están los neutrinos, que están tan cerca de no tener masa que hasta hace muy poco nadie se dio cuenta de que no era así. Entonces puede decaer en neutrinos y portadores de fuerza, tal vez. Excepto que entonces te encuentras con un problema: ninguno de estos tiene carga eléctrica, y tu descomposición tiene que conservar la carga. Estas atorado.

tl; dr: Los electrones son las partículas cargadas negativamente más ligeras y, por lo tanto, no pueden desintegrarse en partículas más ligeras sin violar la conservación de la carga.

¡Bravo! Gran respuesta visual para laicos. Sin embargo, tengo una pregunta: los electrones se mueven a una velocidad increíble (en realidad, impredecible ). ¿No afectaría eso en lo que podría convertirse?
No, porque tiene que pasar en todos los fotogramas. Entonces, si estoy viajando a la misma velocidad que el electrón, si estoy en un marco de referencia donde el electrón no se mueve, el "marco de reposo", debe suceder de la misma manera. Puede que no sepa qué es ese marco, pero sé que existe. Por eso, sé que las desintegraciones que observo tienen que ocurrir en ese marco de reposo y puedo usar la conservación de energía en ese marco para restringir la desintegración. (Esto es muy diferente, por ejemplo, en las colisiones, donde el "marco de reposo" es el del centro de masa, no el de la partícula solitaria).
Por supuesto, esto supone que el electrón vive aislado. Si hay otras partículas en el universo, pueden darle al electrón algo de energía y/o carga, permitiéndole cambiar.
Si consideramos que el electrón no es una partícula sino una densidad de probabilidad, ¿podemos usar eso para superar la idea de un marco de referencia? Como en ese caso no hay un marco de referencia único... me imagino que es un número infinito cada uno con alguna probabilidad.
@Mehrdad tiene que funcionar en todos los marcos de referencia, por lo que si considera un número infinito de ellos, aún debe tener en cuenta el "peor" que no tiene energía cinética. Eres libre de tomar energía del exterior (es decir, ser golpeado por otra partícula a alta velocidad), pero eso no es descomposición.
Tal vez esta es una pregunta estúpida, pero ¿no hay energía gravitacional negativa? ¿Podría renunciar a -89 keV de energía gravitacional y decaer en una partícula de 600 keV?
Los cambios negativos de @KonradHöffner en la PE gravitacional se producen cuando te mueves hacia un cuerpo masivo. La situación de la que está hablando requeriría algo así como un electrón a 100 km de altitud "descomponiéndose" en un electrón más otra partícula a 1 km de altitud. Lo cual es una buena idea para pensar, pero hasta donde sabemos, la física es local, y cuando una partícula se desintegra, sus productos de descomposición emergen en el mismo lugar, por lo que nunca hay ningún cambio en GPE.
Por cierto, el principio totalitario generalmente se atribuye a Gell-Mann.
@DavidZ ¿Qué pasa si hay un gradiente magnético extremadamente poderoso, como cerca de la superficie de una estrella de neutrones? Entonces, ¿un nanómetro es suficiente distancia para renunciar a 89 keV?
@BrianGordon según nuestra comprensión actual, no hay forma de que una partícula desaparezca de un lugar y sus productos de descomposición aparezcan en otro lugar, sin importar qué tan cerca estén esos dos lugares.
Entonces, ¿los electrones duran para siempre básicamente?
Oh sí, ¿qué pasa con el resto de los neutrinos leptones? ¿Podrías dar otra respuesta?
Los electrones durarán para siempre a menos que encuentren otra partícula. En cuanto a los neutrinos, creo que la cantidad relevante es el número de leptones en lugar de la carga, pero es una pregunta extraña debido a las oscilaciones de los neutrinos y no me siento cómodo dando una respuesta firme al respecto.
Hay portadores de fuerza con carga eléctrica, los W + y W − bosones cargados débiles. en.wikipedia.org/wiki/W_and_Z_bosons
No son sin masa.
@zeldredge Bien, la masa fue mi pregunta de seguimiento: P

La declaración es cierta para las desintegraciones, donde se pueden medir los tiempos de vida.

Sin embargo, no es cierto para las interacciones. Un electrón suicida que se encuentra con un positrón tiene una buena probabilidad de desaparecer, junto con el positrón, en dos rayos gamma, a bajas energías.

e+e-

Aniquilación electrón-positrón

Es intrigante que esto no sea cierto para los neutrinos. Si un neutrino electrónico se encuentra con un neutrino antielectrónico , el diagrama de Feynman correspondiente tendría dos Z 0 s . Como el Z 0 es muy masivo, la aniquilación/desaparición de los neutrinos no podría ocurrir a bajas energías, al contrario de lo que ocurre con los electrones/positrones.

¿Ese diagrama no muestra un electrón emitiendo un par de rayos gamma y girando para retroceder en el tiempo?
@Mark Si toma el eje x como eje de tiempo, sí. con el eje y el eje del tiempo es una receta para obtener la sección transversal de un electrón y un positrón aniquilando en dos gammas. Los diagramas de Feynman son prescripciones/abreviaturas icónicas de los cálculos a realizar.
El electrón no sería suicida si no hubiera pasado toda su vida siendo negativo.
¿No puede la descomposición de una partícula pasar por estados con energía arbitrariamente alta (en forma de partículas virtuales) siempre que la colección final de partículas tenga la misma cantidad de energía que la colección inicial?
@Tanner Sí. Entonces, teóricamente, los neutrinos pueden aniquilarse en fotones. Y los neutrinos más pesados ​​pueden descomponerse en otros más livianos. Simplemente son tan ligeros que la descomposición toma demasiado tiempo para ser observada en la práctica.
@TannerSwett En el caso de neutrino antineutrino de baja energía, el Z0 virtual tiene que conectarse a otra partícula, pero la constante de acoplamiento débil es muy pequeña y la sección transversal no se puede medir, aunque se puede calcular. La masa cero del fotón es la que permite el diagrama anterior en la capa (el único fuera de la capa es el electrón entre los dos vértices)

Esto no es exactamente cierto. Se cree que la carga neta se conserva, pero hay un proceso débil llamado captura de electrones, donde un núcleo captura un electrón (generalmente de un "orbital" interno, por lo que hay una firma espectroscópica), se emite un neutrino y un protón cambia a un neutrón. ¡Entonces, por lo tanto, su libro de texto está equivocado!

Tal vez dije "vida útil" incorrectamente. Quiero decir, si no hay nada que lo perturbe, ¿tendrá una vida útil infinita?
Bueno, hay muchos procesos que destruyen un electrón. La aniquilación de positrones y electrones también lo hará. Sin embargo, esto no suele ser lo que entendemos por toda la vida.
Pero en el neutrón, ¿no está el electrón simplemente en "almacenamiento en frío", por así decirlo? Realmente no se ha desintegrado, sino que ha construido el neutrón al combinar su masa y carga con un protón. Por la fuerza débil, eventualmente el neutrón decaerá y el electrón seguirá su camino una vez más.
@docscience Los neutrones en núcleos estables son estables y no se descomponen. Además, el neutrón no está compuesto de electrones y protones. El electrón realmente dejó de existir después de la captura. No hay nada como un "almacenamiento en frío" de partículas. Cuando un electrón es calado por un protón, en realidad hay un electrón menos en el universo. Si un neutrón decae, nace un nuevo electrón.
@mpv Estoy familiarizado con el hecho de que los neutrones dentro del núcleo son más estables que los que están afuera (el experimento lo muestra), y hay teorías que proponen por qué esto es así, pero no creo que sepamos por qué con un alto grado de confianza Su declaración, "Cuando un electrón es capturado por un protón, en realidad hay un electrón menos en el universo". también es una proposición, ¿verdad?
@mpv ... Muéstrame evidencia experimental que respalde firmemente esta propuesta. Y suponiendo que de alguna manera pueda rastrear la partícula, ¿cómo propone probar que es un electrón 'nuevo' que nace y no solo el mismo con el que comenzó? ¿No es el "almacenamiento en frío" una propuesta igual de buena?
@doc Las teorías que han tenido un éxito asombroso al predecir las propiedades de las partículas existentes y la existencia de partículas originalmente desconocidas son bastante claras al respecto: el número de leptones asociado con un electrón capturado va con el neutrino dejando cero leptones con el neutrón. Y aunque no estoy al tanto de ninguna observación de neutrinos asociada con la captura de electrones, tenemos todos los demás procesos de neutrinos y nucleones. Por el contrario, confinar un electrón dentro de un neutrón costaría más energía de la que está disponible. Así que no, el "almacenamiento en frío" no es una buena alternativa.
@dmckee Pero no habría ningún "costo de energía" una vez que se alcance el estado del neutrón dentro del núcleo. ¿No mantienen las propias fuerzas nucleares el estado de equilibrio más estable para evitar la descomposición del neutrón? ¿Y no es por eso que si el neutrón es expulsado del núcleo, su expectativa de vida se acorta severamente? ¿Qué experimento puede refutar la existencia de un "sistema" protón-electrón estable dentro del núcleo frente a una partícula fundamental de neutrones? ¿Cómo sabemos que estamos viendo otra partícula frente a un sistema de partículas?
@docscience Te estás enfocando demasiado en "cómo refutarlo". Primero tienes que tener "por qué creer que sucede en primer lugar". Si los electrones son solo una excitación del campo de electrones, la pregunta "¿es el mismo electrón?" simplemente no tiene sentido. Pero sí, me imagino que podrías calcular cuánto momento electromagnético tendría el neutrón si ese fuera el caso, y si no es demasiado pequeño para medirlo, medirlo. Pero primero tendrías que demostrar por qué la naturaleza de los quarks de los neutrones es una mala descripción: la carga de la prueba está de tu parte. ¿En qué se equivoca la cromodinámica ?
@Luaan Todd Platt publicó un excelente editorial en Science, octubre de 1964: "Strong Inference". Su argumento básicamente es que la ciencia debería adoptar el enfoque de múltiples hipótesis en lugar de una sola hipótesis favorita. Además, uno nunca puede "probar" una hipótesis, sino más bien refutar o falsificar hipótesis contrapuestas. Es un consejo anticuado pero histórico y sensato.
@docscience Estoy totalmente de acuerdo con eso, y es la base del pensamiento científico. Pero aún debe superar la duda razonable antes de agregar una nueva hipótesis como alternativa: si digo que las neuronas se comunican no solo por impulsos eléctricos, sino también por gravedad cuántica, es una hipótesis alternativa que puede refutar al descubrir eventualmente que no, hay ningún efecto de la gravedad cuántica. Pero es más complejo que las alternativas, sin dar nuevas predicciones ni explicar las discrepancias conocidas. Es un enfoque científico correcto, pero no eficiente.
@docscience Cómo refutarlo siempre debe ser parte de la investigación científica, y sí, no tenemos los códigos fuente del universo, por lo que no podemos probar ninguna ley científica, pero esa no es la parte a la que me opongo. Es solo que, por defecto, gana la explicación más simple. Si tienes una explicación que se ajusta mejor a los hechos, eso es increíble, pero si solo tienes una explicación alternativa para ser alternativa, sin forma de distinguir entre las dos y la tuya es más complicado... ¿por qué crees en la primera? ¿lugar? Tenía que haber algo para hacerte creerlo, ¿verdad?
@Luaan En mi caso, para esta pregunta en particular, fue solo falta de información suficiente. Entonces planteé la pregunta aquí: physics.stackexchange.com/questions/178865/… Échale un vistazo. Realmente levantó un alboroto. Pero ayudó a remodelar mi visión del mundo.
@docscience Es una buena pregunta y las respuestas también son muy buenas. Solo estaba señalando su error racionalista, no atacando ni apoyando su hipótesis o QCD exactamente (al igual que usted, no soy un físico de partículas). Las fallas racionales como esta son algo que los humanos hacen de forma predeterminada, por lo que es necesario combatirlo donde sea que vayamos :)) Como programador, he tomado en serio el consejo de la vida de "fallar a menudo, fallar rápido" - seguro, gastando treinta años probando que su error es científico, y los resultados bien podrían ser importantes. Pero, ¿y si pudieras fallar 30 años antes?

HyperLuminal preguntó:

"¿Significa eso que los electrones son infinitamente estables?"

Piensa en el modelo de electrón de Dirac, que incluye contribuciones de mano derecha e izquierda.

Ahora agregue la idea de Brout-Englert-Higgs (digno de un Nobel), de que el bit para zurdos interactúa con un condensado de hipercarga débil, mientras que el bit para diestros no lo hace.

Esto sugiere una extensión simple del modelo estándar: un confinamiento SU(2) capaz de mantener juntas las partes izquierda y derecha de un fermión. Piense en el confinamiento de quarks, pero en un rango más corto.

Con respecto a " ¿los electrones son infinitamente estables? ", si tales fracciones de fermiones pueden asociarse, entonces la naturaleza puede tener un proceso para disociarlos... ¿explosiones de rayos gamma?

Para aquellos que trabajan en los llamados "milagros WIMP" para explicar la materia oscura, es este tipo de conexión electrodébil lo que parece interesante; pre-fermiones preelectrónicos, prefotónicos y masivos que evolucionan hacia cosas que pueden emitir fotones (y por lo tanto ser detectadas).

¿Por qué los electrones, según mi libro de texto, existen para siempre?
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