¿Cómo podemos saber experimentalmente la diferencia entre partículas con y sin masa en reposo?

Solo voy a responder la pregunta del título como se me preguntó.

Hay al menos tres categorías de formas de detectar masa distinta de cero para partículas, y cada una tiene variaciones.

Los métodos básicos son

• Mida la relación entre energía cinética y cantidad de movimiento ($T/p$).

• Mide la velocidad. Cualquier valor bien distinguido de$c$implica masa.

• Cinemática de creación o decaimiento.

• Observar la mezcla.

Espectrómetro-Calorímetro

(Los espectrómetros miden el impulso; los calorímetros miden la energía)

La relatividad deja en claro que la relación entre la energía total y el momento de una partícula es$R_0 = T/p = E/p = c$para una partícula sin masa y$R_m = \frac{\gamma-1}{\beta\gamma} c$para una partícula con masa.

Distinguir de manera confiable esa relación es fácil para partículas con gran masa.

Velocidad

Si una partícula no tiene masa, se mueve a$c$; si es masivo se mueve a menos de$c$, por lo que cualquier medida de velocidad menor que$c$implica una masa distinta de cero. Obtener un valor para esa masa requiere un poco más de trabajo.

La velocidad se puede medir

• Por tiempo de vuelo, ya sea entre dos detectores de resolución de tiempo o desde un tiempo de creación conocido hasta un solo detector de resolución de tiempo. Para partículas cargadas, es fácil construir detectores con una resolución de tiempo de nanosegundos, por lo que es sencillo para partículas incluso tan ligeras como los electrones.

• Para partículas cargadas con un detector de umbral de velocidad como un detector de radiación de transición o Cerenkov.

Para las partículas neutrales, debe hacer que interactúen con un objeto cargado en su detector para detectarlas, lo que hace que esto sea más difícil. No obstante, las velocidades de los neutrinos del acelerador pueden verse limitadas para que sean muy cercanas a las de la luz con el hardware existente.

Cinemática de creación/desintegración

La conservación de cuatro impulsos en un vértice de creación o decaimiento significa que con información suficientemente buena sobre el movimiento de todas las partículas involucradas y si se conocen todas las masas menos una, se puede encontrar la masa final.

Esto es más fácil de ver en un contexto de creación donde la aniquilación de una partícula con su antipartícula

Los intentos de obtener las masas de los neutrinos de esta manera, hasta ahora, se han visto frustrados por la dificultad del experimento y la baja tasa cerca del punto final. No obstante, se contemplan nuevas mediciones.

mezclando

Este es el medio por el cual sabemos que los neutrinos deben tener alguna masa. En esencia, la mezcla requiere tiempo y no pasa un tiempo adecuado entre puntos en una trayectoria lumínica, por lo que cualquier cosa que se mezcle no puede seguir trayectorias lumínicas y, por lo tanto, debe tener masa.

Teóricamente hablando, el indicador más simple es que las partículas de masa cero en reposo, y solo ellas, viajan a la velocidad de la luz. Pero esto puede ser un desafío para medir directamente. La renormalización es una heurística computacional que extrae predicciones teóricas de QFT (porque solo tenemos una formulación perturbativa), pero los parámetros que aparecen en las respuestas, como masas y cargas efectivas, deben determinarse experimentalmente e insertarse en el renormalizado. expresiones a mano. Por lo tanto, son mucho menos "teóricos" que la propia renormalización. Existe la conjetura de Einstein de que la materia no tiene masa "residual", que nunca aparece en desintegraciones o colisiones, necesaria para derivar la relación masa-energía, ver ¿Por qué la relación masa-energía de Einstein generalmente se escribe como$E=mc^2$, y no$\Delta E=\Delta m c^2$? Pero incluso la presencia de tal masa no impediría la mensurabilidad cinemática de la masa en reposo,

La pregunta es de importancia práctica para los neutrinos, que durante mucho tiempo se pensó que tenían una masa en reposo cero, debido a su papel en la formación de estructuras después del Big Bang. La evidencia original era indirecta, a saber, que los neutrinos oscilan entre sabores durante el vuelo. A partir de las mediciones de oscilación, se pueden determinar los ángulos de mezcla y, por lo tanto, las diferencias entre los cuadrados de las masas. La masa finita también se puede inferir de otros efectos, como la aparición de neutrinos con componente de quiralidad opuesta en experimentos selectivos de quiralidad, doble$\beta$decadencia, y algunas observaciones cosmológicas. La determinación cinemática de la masa en reposo de neutrinos se analiza en Current Direct Neutrino Mass Experiments de Drexlin et al. Aquí está la idea:

" La determinación directa de la masa del neutrino se basa puramente en la cinemática sin más suposiciones. Esencialmente, la masa del neutrino se determina utilizando la relación energía-momento relativista$E^2=m^2+p^2$. Por lo tanto, es sensible a la masa del neutrino al cuadrado.$m^2(\nu)$. En principio, existen dos métodos: mediciones de tiempo de vuelo e investigaciones de precisión de decaimientos débiles. El primero requiere líneas de base muy largas y, por lo tanto, fuentes muy fuertes, que solo los eventos astrofísicos cataclísmicos como una supernova de colapso del núcleo podrían proporcionar...

Desafortunadamente, las explosiones de supernovas cercanas son demasiado raras y parecen no entenderse lo suficientemente bien como para permitirles competir con los experimentos directos de masa de neutrinos en el laboratorio. Por lo tanto, apuntando a esta sensibilidad, la investigación de la cinemática de decaimientos débiles y más explícitamente la investigación de la región de punto final de un$\beta$El espectro de desintegración (o una captura de electrones) sigue siendo el método directo e independiente del modelo más sensible para determinar la masa del neutrino. "

¿Cómo podemos saber a partir de experimentos que cierta partícula, como un quark, tiene masa en reposo, pero un gluón no? Ambos dejan productos de descomposición. Entonces, ¿qué hay específicamente en el experimento (supongo que la dispersión inelástica profunda) que dirá del producto de descomposición si muestra masa en reposo o no?

De momento los datos de la física de partículas se ajustan bien al modelo estándar y las predicciones del modelo están validadas, pero todo ello dentro de los errores experimentales . Los errores experimentales son los mismos para las huellas que salen de las interacciones, pero la interpretación y el uso de esta información hacen grandes diferencias en la precisión de la determinación de las masas.

Los quarks y los gluones dependen de un gran número de pistas medidas, en chorros, y por lo tanto de una acumulación de errores. Los errores se minimizan, por ejemplo, en un decaimiento débil de Z a mu+mu-. Por lo tanto, los modelos que usamos afectan el concepto de masas para las partículas identificadas. Por el momento, el modelo estándar de partículas con masa cero está bien validado, por lo que es una interacción entre la teoría y las mediciones.

¿O es que a partir de los experimentos no podemos decirlo, solo sabemos teóricamente la diferencia entre las partículas con masa en reposo y sin ella, y las identificamos en el experimento, medimos la energía de descomposición y luego decimos que eso era solo energía (desde un punto de vista fotón, gluón) o masa en reposo (de un quark, electrón, bozón W,Z)?

Carro delante del caballo. Las interacciones, débil y electromagnética, midieron primero partículas de masa cero, es decir, en el balance de energía de las mediciones experimentales, la masa de la partícula faltante estaba dentro de los errores cero, y luego vino la teoría para modelar los datos. Es por eso que durante tantos años tuvimos los neutrinos sin masa porque la conservación de la energía y el momento en las interacciones de las partículas los midió como sin masa, dentro de los errores.

Que la masa del fotón sea cero es una pieza clave no solo en el modelo estándar sino también en la relatividad especial, que está tan bien validada que no hay espacio para dudar de que, por muy finos que sean los errores, la masa del fotón es cero. Esto no es lo mismo para los neutrinos.

No tiene sentido pedir mejoras en la precisión con los gluones que nunca están libres para medirse con las interacciones fuertes.

Por lo tanto, en este momento, estamos en el punto en el que tenemos una teoría del modelo estándar que encapsula todas nuestras medidas, es predictivo y tiene pequeñas ventanas para la física fuera del modelo estándar, que por el momento no afecta las masas cero necesarias para el fotón. y gluón.

Editar después de los comentarios:

Aquí está la generación por un fotón de un par e+ e- en el campo de un electrón (la línea larga)

El vector energía-momento del fotón entrante se puede ajustar mediante mediciones y la masa del fotón entrante se encuentra a cero dentro de los errores.

Aquí hay un evento hadrónico de tres chorros en el detector ALEPH en la masa de Z.

Se interpreta como un evento quark-antiquark gluon, quark-antiquark del número de conservación bariónica, y gluon porque tiene número bariónico cero. Los chorros son el resultado de la hadronización y solo ajustando un gran número de tales eventos mediante el uso del modelo estándar y los modelos de hadronización se puede llegar a la conclusión sobre las masas: los modelos tienen las masas que existen en el modelo estándar. tabla de partículas