¿Cómo puede un pión tener una masa, dado que es un "mediador de campo" y se crea/destruye continuamente?

Tal vez algunas de mis suposiciones aquí sean básicamente incorrectas, pero ¿no es cierto que

  • pion es el "mediador" para el campo de fuerza fuerte.
  • la teoría del campo cuántico básicamente dice que no hay campos, sino que todas las fuerzas son causadas por el intercambio de partículas mediadoras todo el tiempo.

Entonces, para mí, esto parece que dos partículas en un núcleo, que se mantienen unidas por la fuerza fuerte, están "enviando" estas partículas piónicas todo el tiempo. ¡Pero todas las referencias dicen que estas partículas tienen masa! ¿Por qué esto no significa que la masa se crea/destruye todo el tiempo? ¿La masa de los núcleos completos se ve afectada de alguna manera por el flujo constante de piones? Si la pregunta es básicamente irrelevante, ¿cuáles son las partes más importantes que me faltan aquí?

¿Por qué pensarías que una teoría llamada Teoría Cuántica de Campos dice que no hay campos? De hecho, los campos son los objetos fundamentales, mientras que las partículas son 'solo' excitaciones; más aún, las partículas virtuales que actúan como mediador de fuerza no son realmente partículas, sino (posiblemente) artefactos de la teoría de la perturbación
Obviamente tendré que estudiar esto más, pero ¿no son, por ejemplo, los piones partículas reales, detectadas y observables? He leído que incluso podemos "observar" los efectos de los piones libres de los rayos cósmicos.
los piones lo son, pero los piones virtuales no lo son
Aprende algo de QM, dijeron; Será divertido, dijeron. :PAG

Respuestas (2)

Dos puntos:

  • El intercambio de piones (o más generalmente el intercambio de mesones ligeros) es una aproximación razonable (también conocida como "teoría efectiva") para la fuerza fuerte que actúa sobre los nucleones en el núcleo, pero no es la fuerza fuerte real que está mediada por gluones.

    En otras palabras, los piones no son realmente mediadores de fuerza en absoluto.

  • En realidad, no es un problema con los mediadores masivos. La fuerza débil es transportada por los bosones W y Z con masas de 80 y 90 GeV respectivamente.

Pensé que las partículas de fuerza podrían ser masivas (porque de todos modos solo son virtuales) pero solo bajo la condición de que la fuerza tenga un alcance limitado. ¿Tiene eso algún sentido?
@AlanSE Sí, los portaaviones pesados ​​introducen límites de rango, y la masa del pión es más o menos responsable del rango de la fuerza entre nucleones. Como digo, el modelo de intercambio de iones es una buena teoría efectiva.
¿La aproximación tan ampliamente utilizada es aquella que asume la creación/destrucción de masa/energía? ¿A pesar del principio de conservación de la energía? Esa es la parte que no entiendo, ¿cómo podemos decir que cualquier mediador de campo (es decir, partículas que se crean todo el tiempo, supongo) puede tener masa, si eso contradice la conservación de la energía?
@Cray: el argumento ondulado a mano es que, debido a la incertidumbre, todo vale siempre que la acción no exceda ℏ

Los portadores de fuerza fundamentales son los bosones de calibre y las simetrías de calibre les prohíben tener una masa. La única forma en que pueden ganar masa es a través del mecanismo de Higgs, como en el caso de la W y la Z, es decir, la simetría de calibre tiene que romperse espontáneamente.

Entonces, en cierto sentido, tiene razón, los mediadores de fuerza fundamental no deben tener masa, pero no por la razón que ha dado y hay una cláusula de salida si el mecanismo de Higgs está en juego.

Pero los piones no son mediadores de fuerzas fundamentales y no son bosones de calibre, por lo que no es necesario que carezcan de masa por este motivo. Sin embargo, hay un giro interesante en todo esto: de hecho, uno puede entender los piones como los bosones de Nambu-Goldstone de la simetría quiral espontáneamente rota (rota por el valor esperado de vacío distinto de cero del condensado de quarks). Si la simetría quiral fuera exacta, entonces se requeriría que los piones no tuvieran masa (según el teorema de Goldstone). Sin embargo, la simetría quiral es solo una simetría aproximada, ya que las masas de los quarks la rompen explícitamente. Por esta razón, se permite que los piones tengan una masa (pequeña) y, por lo tanto, se denominan bosones 'pseudo'-Nambu-Goldstone.

Espero que lo anterior ayude a explicar la situación en relación con las masas de los mediadores de fuerza y ​​los piones. Sin embargo, siento que su verdadera confusión está en el hecho de que no puede entender cómo un mediador de fuerza puede tener una masa, ya que cree que esto afectará de alguna manera las partículas que interactúan de una manera que no se observa. Parece que le preocupa que las partículas que interactúan tengan que crear y destruir masa. Pero, ¿por qué preocuparse tanto por la masa? Incluso con un mediador de fuerza sin masa, las partículas que interactúan aún necesitan crear y destruir la energía del mediador transferido y la masa es simplemente una forma de energía, por lo que, según su razonamiento, debería estar igualmente preocupado por los portadores de fuerza masivos y sin masa.

Pero tu razonamiento no debería preocuparte, ¿por qué te preocupa este constante intercambio de energía? Después de todo, las partículas están interactuando y ¿de qué otra forma podrían hacerlo? Una analogía muy simple de cómo el intercambio de una partícula masiva podría crear una fuerza sería si dos personas se sentaran en botes y se lanzaran una pelota pesada entre sí, se separarían y el intercambio de la bola masiva parecería estar produciendo un fuerza repulsiva.

La analogía anterior no se acerca demasiado a la situación real y, por ejemplo, no explicaría las fuerzas de atracción, pero al menos muestra que no debe preocuparse por la transferencia de masa o energía en tal situación. Para entender realmente cómo las partículas virtuales pueden transmitir una fuerza, entonces tienes que hacer los cálculos y entender que las partículas virtuales en realidad no son partículas en absoluto, sino que son perturbaciones que no son partículas en sus respectivos campos. También debe recordar que cualquier partícula que interactúa está constantemente creando y destruyendo partículas virtuales en su vecindad: la creación y aniquilación de partículas virtuales son simplemente parte integral de la definición de la partícula en primer lugar.

Tienes razón, la creación/destrucción de energía es igualmente confusa para mí, solo tomé la masa como ejemplo, parecía más fácil formular una pregunta. Pero, ¿el resultado final es este: que todas las partículas mediadoras de fuerza son de hecho "virtuales" y nunca podrían detectarse, incluso si uno pudiera, de alguna manera, meterse entre dos protones en un núcleo y tratar de detectar qué está pasando allí? (proposición seguramente imposible, pero si fuera posible) ? Además, entonces, ¿qué logra realmente la explicación de un campo por medio de mediadores cuantificados? ¿Qué explica si son todos virtuales?
Sí, todos los mediadores de fuerza son partículas virtuales. Una partícula se define como un estado asintótico infinitamente alejado de otras partículas. Entonces las partículas virtuales no son estas y no pueden ser detectadas como tales. Deberían considerarse simplemente como perturbaciones en el campo y el nombre de partícula es un poco inapropiado. Diría que el uso en el pensamiento de los mediadores de partículas está en el enfoque del diagrama de Feynman donde representamos la interacción de los campos mediante el intercambio de una o más partículas virtuales para representar un cálculo perturbativo. Pero esto es más una herramienta matemática que una imagen real de la realidad.
¿Cómo puede un pión tener una masa, dado que es un "mediador de campo" y se crea/destruye continuamente?
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