¿Cómo se miden las masas de las partículas elementales inestables?

Para partículas cargadas de vida suficientemente larga, se mide la trayectoria en forma de hélice en un campo magnético externo y se obtiene a partir de esto el 4-momento (y por lo tanto la masa).

Para partículas de vida muy corta, se obtienen masas complejas a partir de mediciones de resonancia.

Editar: cualquier masa de una partícula inestable es compleja y se define como el polo de un propagador. La masa de una partícula como la de Higgs se determina de manera bastante indirecta, ya que se necesitan muchos experimentos de dispersión para determinar de manera confiable las secciones transversales relevantes. Consulte https://arxiv.org/abs/1207.1347 para saber cómo determinar la masa de Higgs a partir de las mediciones. Consulte también https://arxiv.org/abs/1112.3007 .

La forma más sencilla es intentar producir una partícula inestable masiva. Digamos que estamos tratando de producir un muón a partir de un electrón y un fotón a través del proceso:

Solo para hacer nuestro juego más fácil, digamos que tenemos el electrón mantenido inicialmente con impulso cero, y variamos la intensidad de la partícula gamma. Entonces, la energía inicial del sistema es$m_{e}c^{2} + E_{\gamma}$, y la cantidad de movimiento inicial del sistema es$E_{\gamma}/c$.

Sin embargo, dado que el muón tiene una masa mayor que el electrón, el estado de momento cero en el lado derecho tendrá una energía más alta que el estado de momento cero en el lado derecho (podemos ignorar las masas de los neutrinos). Por lo tanto, este proceso viola la conservación de la energía a menos que el fotón sea lo suficientemente energético para hacer posible la conservación del momento. Esto sucede precisamente cuando$m_{e}c^{2}+E_{\gamma}=m_{\mu}c^{2}$. Entonces, puedes mirar el punto exacto donde comienzan a formarse los muones, ¡y listo! Tienes una medida de la masa del muón.

Un enfoque más sofisticado mediría las energías y los momentos de las partículas antes y después de la colisión y otros parámetros afectados por la masa. Pero creo que este ejemplo es probablemente la forma más clara de ver este efecto.

Medimos los cuatro impulsos de los productos de desintegración y reconstruimos los cuatro impulsos de la partícula en cuestión, luego aplicamos la relación habitual entre energía, tres impulsos y masa:

Los observables del detector son las pérdidas de energía y las direcciones (lo que significa cambios en las direcciones debido a la dispersión múltiple y los campos magnéticos). Y algunos detectores de bolas raras como Cerenkov le dan velocidades (o al menos por encima/por debajo del umbral). Estos se pueden usar para identificar partículas y reconstruir tanto la energía como los tres momentos con cierta confianza una vez que se comprende bien el detector. A partir de eso, la masa asociada con cada pista es clara (y esto se usa como verificación del mecanismo de identificación de partículas).

Con partículas pesadas, muchos de los productos pueden ser inestables, por lo que iniciamos la medición a partir de sus productos de descomposición.