¿Cuál es el significado de la palabra "partícula" en física de partículas?

Mis preguntas son:

1) La palabra "cuántico" es una palabra perfectamente buena que significa una onda con amplitud mínima; ¿Por qué los físicos insisten en llamar partícula a un cuanto?

La palabra "cuántico" en física se usa como una "cantidad definida de una variable" en contraste con "una cantidad continua de esa variable". Hay cuantos de energía, por ejemplo, los niveles de energía de un átomo que pueden ser probados por una energía fotónica cuantificada.

Los neutrones y los protones pueden considerarse como cuantos que forman un núcleo.

La ubicación de los átomos y las moléculas en un cristal se puede considerar como cuantos espaciales, porque solo se puede acceder a sitios específicos.

Entonces, la definición de un "cuántico" como una "onda" es incorrecta. Una partícula puede ser un cuanto si construye una unidad específica, como por ejemplo los quarks pueden ser considerados como cuantos que construyen hadrones (ladrillos para ser crudos).

2) ¿Existe una definición única de la palabra partícula en física que no dependa del contexto (no casuística) y en la que todos los físicos puedan estar de acuerdo?

Sí, una partícula es una entidad cuya posición puede ser definida por (x,y,z,t) y sus cuatro impulsos por (p_x,p_y,p_z,E) como ocurre con las partículas macroscópicas. Por eso se llama partícula. PERO hablando de partículas elementales reina la mecánica cuántica y se mantiene el Principio de Incertidumbre de Heisenberg .

En mecánica cuántica, lo que se puede medir como una partícula en un experimento, ya que aquí vemos un antiprotón golpeando un protón en reposo y generando una serie de piones,

donde podemos medir los cuatro impulsos de cada partícula en la imagen y el rastro que dejó en el espacio, puede ser una onda de probabilidad en otro experimento.

Para completar, aquí está la imagen utilizada en una pregunta similar :

Este experimento de dos rendijas con un haz de electrones comienza con electrones individuales (partículas) y los detectores cuentan la ubicación de su impacto. En a) parece aleatorio y solo después de acumular suficientes estadísticas se observa el patrón de interferencia, en la distribución en el plano xy de impactos individuales. Una materialización de la distribución de probabilidad. En este experimento particular, la rendija a través de la cual pasó la partícula individual de electrones pudo identificarse, de manera no destructiva. El patrón de interferencia está ahí. La condición de contorno de dos rendijas es lo que muestra la naturaleza de onda de probabilidad de la partícula.

Hay dos definiciones de partícula en física, ambas de uso común. Prefiero los siguientes términos:

1. Partícula asintótica: Los estados fundamentales entrantes de la matriz S.
2. Partícula de campo: una excitación de un campo fundamental en un Lagrangiano físico.

Las dos definiciones son diferentes en el caso de las partículas compuestas, que son partículas solo en el sentido 1 (excepto que también son partículas del tipo 2 de las teorías efectivas) y para partículas como los quarks y los gluones, que son solo partículas en el segundo sentido. sentido pero no el primero.

La primera definición es de Wigner y dominó la física de altas energías hasta 1974. Una vez que se reconoció que los quarks eran reales y confinados, la segunda definición prevaleció. Las dos definiciones son idénticas en las teorías de campo libre y se superponen en las teorías de campos interactivos con partículas no confinadas. Pero para interacciones fuertes, las partículas del espectro son hadrones, mientras que los campos fundamentales son quarks y gluones, son completamente diferentes y requieren herramientas diferentes para analizar.

Las partículas del espectro en las interacciones fuertes se describen mediante la teoría de la matriz S. Son aproximadamente como cuerdas en la teoría de cuerdas. Las partículas fundamentales se describen mediante la teoría de la perturbación de la teoría de campos. Gran parte de la física de los últimos 30 años se dedica a reconciliar los dos tipos diferentes de descripciones.

En su artículo http://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/fields-and-their-particles-with-math/5-waves-quantum/ , Strassler intenta presentar una explicación de las partículas en la teoría cuántica de campos (QFT) en los términos más elementales posibles. El resultado es que hace un dibujo y usa una terminología que no se usa comúnmente, aunque da una idea de lo que es QFT.

Así que permítanme escribir una narración en términos un poco más abstractos, pero en la notación y terminología estándar, y luego relacionarla con lo que escribe Strassler.

Al igual que las ondas de un solo oscilador (piense en una cuerda vibrante) se pueden representar como una superposición de ondas armónicas con frecuencias dadas.$\omega$(Análisis de Fourier), por lo que las ondas de un medio extenso (como el agua) pueden representarse como una superposición de ondas planas con vectores de 4 impulsos dados$p$. los vectores$p$etiquetar los diferentes modos de la superposición$p$está compuesto por$p_0=\pm E/c=\pm \omega \hbar/c$dónde$E$es la energía,$\omega$la frecuencia angular (y$\hbar/c$es un factor de proporcionalidad constante) y un vector de 3$\mathbb p$, el impulso espacial, que indica la dirección y la velocidad del movimiento de la onda. Están relacionados por la llamada relación de dispersión.$p_0^2= \mathbb p^2+(mc)^2$, dónde$m$es la masa del campo (libre). Si solo hay un modo único (en lugar de una superposición, que es el caso habitual), entonces un observador que se mueve con la velocidad de la onda verá el cuadrivector con un momento espacial cero (marco de reposo); por lo que se puede considerar que tiene un solo componente determinado por la frecuencia.

Ahora bien, un campo cuántico no es un campo ordinario sino un campo con valores de operador. Puede pensar en un operador como una variable aleatoria, que toma diferentes valores, llamados valores propios, en cada medición (si se puede medir) de acuerdo con una distribución de probabilidad característica del estado del campo. (Aunque la medición de campos es un tema complejo, esto está bastante simplificado).

Haciendo la descomposición en ondas planas con un campo cuántico, cada amplitud se convierte en un operador$a(p)$o$a(\omega)$mismo, llamado operador de creación o de aniquilación dependiendo del signo de$p_0$; los operadores de creación tienen un * adicional en la fórmula. Estos operadores tienen valores propios complejos arbitrarios (al igual que en un campo clásico, las amplitudes son números complejos arbitrarios). [Por lo tanto, no hay amplitud más pequeña.]

Sin embargo, debido a las peculiaridades de los valores propios (que ya se pueden ver cuando los operadores son matrices de 2 por 2), los valores propios de un producto generalmente no son iguales a los productos de los valores propios de los factores. En el caso de un solo oscilador cuántico, resulta que el producto$a^*a$tiene muy pocos valores propios, es decir, solo los números enteros no negativos. si pudieras medir$a^*a$(que en realidad no es posible), por lo tanto, obtendría uno de los números$n=0,1,2,...$, contando el nivel de excitación (o el ''número de cuantos'', aunque esta terminología rara vez se usa). Uno por lo tanto llama$a^*a$el operador numérico. El nivel 0 es el estado fundamental, y los niveles más altos y ligeros tienen cada vez más energía.

Ahora tomamos en cuenta todos los modos, permitiendo el campo completo en lugar de un solo modo de onda plana. Entonces el$a$depende del 4-momentum$p$, y para obtener un operador numérico se deben integrar los operadores$a^*(p)a(p)$sobre todos los 3 momentos posibles. Por otra parte, los valores propios del operador numérico son enteros no negativos$n$, esta vez interpretada como el número de partículas detectadas. La forma habitual de hablar de esta situación es decir que, en QFT, "una partícula es una excitación elemental de un campo cuántico".

Al identificar una excitación elemental con un cuanto, una sola partícula se convierte en un solo cuanto de campo. Además, si uno simplifica los aspectos no conmutativos de los operadores tratando la amplitud$a$como una especie de raíz cuadrada del número$n$, se podría decir que un cuanto es "una onda con una amplitud mínima", aunque esto es bastante engañoso si se le atribuye algo más que un significado metafórico. Esto da la imaginería de Strassler.

Tenga en cuenta que en un estado general de un campo cuántico, no tiene sentido hablar sobre el número de partículas que contiene, al igual que no tiene sentido hablar sobre la posición de un oscilador cuántico. De lo que se puede hablar es de la posición media del oscilador y el número medio de partículas, que suele ser suficiente para sacar conclusiones macroscópicas (en mecánica estadística cuántica).

Los eventos de detección de partículas, por otro lado, se refieren a estados muy especiales (asintóticos), donde la interacción con el equipo de registro destaca un estado medido particular con un contenido de partículas observable definido. Es este contenido de partículas el que está representado por las huellas en las cámaras de burbujas y las fotografías del CERN, como las mencionadas en la respuesta de anna_v.

Una partícula es el nombre de un sistema cuántico para el cual$P_\mu P^\mu$es un múltiplo positivo de la identidad (la masa al cuadrado), la energía es positiva y el momento angular toma solo ciertos valores discretos (giro).

EDITAR: Agregaré a continuación algunos comentarios adicionales porque la pregunta original era sobre la relación de partículas y ondas.

un campo$\phi(x)$asociado a una determinada partícula hay un operador (o una colección de operadores, uno para cada punto del espacio-tiempo) que envía el estado de vacío$|0\rangle$en una partícula localizada en el espacio y el tiempo,$\phi(x)|0\rangle=|\phi(x)\rangle \approx |x\rangle$. Resulta que por consistencia de la teoría (que es una QFT) estos operadores$\phi(x)$satisfacer ciertas ecuaciones de onda invariantes de Lorentz. Esto en particular significa que$|\phi(x)\rangle$y las diversas amplitudes$\langle A|\phi(x)\rangle$obedecer esas ecuaciones de onda.

Asumiendo que "partícula" se refiere a partículas elementales, entonces sí. Una partícula elemental es un cuanto de energía.

Básicamente, la confusión surge cuando las personas intentan simplificar lo que en realidad es una distinción sutil, y además, históricamente ha habido una terminología confusa.

Nota: la partícula en el contexto de mi publicación siempre se referirá a una partícula elemental

Seguro que has oído hablar del principio de incertidumbre . Lo que eso dice es que la posición y el momento de una partícula no pueden conocerse simultáneamente con una precisión arbitraria. Existe una incertidumbre asociada con la posición y el momento de la partícula, que es fundamental en la naturaleza. Es inherentemente 'borroso' en algún sentido, con su posición no perfectamente definida.

Pero, ¿cómo podemos decir exactamente dónde está una partícula en primer lugar? ¿O decir qué tan rápido se está moviendo? Eso viene dado por la función de onda de la partícula. Ahora, aunque el nombre sugiere que es una onda, lo que la función de onda realmente describe es la probabilidad de que la partícula esté en un lugar determinado en un momento dado. Para una 'partícula libre' (que es una partícula sin fuerzas externas actuando sobre ella), la función de onda está definida por un ' paquete de ondas '. Esta página de wikipedia tiene un buen diagrama que explica eso.

El paquete de ondas tiene una posición y un momento razonablemente bien definidos en cualquier punto dado, por lo tanto, podemos señalar dónde está bastante bien. Esto es a lo que la gente se refiere como partículas: el paquete de ondas cuantizado, que en realidad es solo una función de onda que describe una probabilidad. Por lo tanto, lo que dice todo lo anterior es que cuando se puede predecir con razonable precisión dónde está algo y qué tan rápido va, podemos llamar a eso una partícula. Lo cual no es una mala definición en absoluto. :)

Al contrario de lo que escribe Matt Strassler en su blog, no existen ondas en la física de partículas y es por eso que la disciplina se llama "física de partículas" y no "física de ondas".

Intuitivamente, una partícula elemental es la pieza más básica de materia conocida. Cada partícula elemental se caracteriza por un conjunto de propiedades físicas: masa, carga y espín. Por ejemplo, un fotón es una partícula elemental con masa cero, carga cero y espín$1$. Todo lo que nos rodea está hecho de muchas de esas piezas elementales. En el sitio del CERN se ofrece una buena introducción a esos temas:

http://public.web.cern.ch/public/en/science/Glossary-en.php#P

http://public.web.cern.ch/public/en/science/standardmodel-en.html

Aquí se explica por qué una partícula no es una onda ni tiene las propiedades de una onda.

http://statintquant.net/siq/siqse3.html#x42-60003

Veamos el resto de preguntas.

No, un cuanto no es una onda. El término cuanto generalmente se refiere a una pequeña cantidad, del orden del tamaño de Planck, de una propiedad física. Un cuanto de energía es una pequeña cantidad de energía: por ejemplo, la pequeña diferencia de energía entre dos niveles de energía en un átomo de hidrógeno. Por ejemplo, un cronón es el cuanto de tiempo hipotético.

Las partículas elementales son partículas cuánticas y las partículas cuánticas no son objetos esféricos con radio finito. De hecho, técnicamente, las partículas elementales se consideran objetos puntuales.

Sobre sus preguntas específicas:

1) Como se indicó, "cuántico" no significa "una onda con amplitud mínima".

2) Sí, técnicamente una partícula elemental se define como un elemento irreducible del grupo de Poincaré. En términos más simples, esto significa que cualquier partícula elemental se identifica y caracteriza inequívocamente por su masa, carga y espín.

Trataré de agregar mis 50 centavos a la discusión. Tengo entendido que cuando hablamos de partículas en un contexto cuántico, esencialmente estamos transfiriendo nuestros conceptos clásicos intuitivos al reino cuántico.

¿Qué entendemos que hablamos de partículas en la vida normal? Pensamos en ciertas entidades integradas más o menos locales en el espacio que conforman un sistema mayor (${\it part}$-icle) manteniendo algún tipo de identidad. Como consecuencia de esto último, la expectativa es que todas las propiedades macroscópicas extensivas del sistema total escalan linealmente con el número de partículas.

Cuando se trata de QFT, a menudo ocurre que, en el límite de baja energía, el sistema se puede reducir a un conjunto de osciladores armónicos (limitémoslo a los campos bosónicos por ahora). ¿Cuál es la característica más importante del espectro del oscilador armónico? es equidistante. La energía del oscilador es linealmente proporcional al número de excitación y siempre cuesta la misma cantidad de energía aumentar el estado de excitación en un paso. Superficialmente, esto parece muy similar a lo que cabría esperar al tratar con partículas clásicas que no interactúan (misma energía por partícula; energía total proporcional al número de partículas). Por lo tanto, es muy tentador identificar el grado de excitación$N$del cierto grado de libertad ("número de cuantos") con el número de "partículas" en la "caja" correspondiente en el espacio de fase.

Por supuesto, la similitud no es una mera coincidencia, y la analogía es de gran alcance. Pero al final del día es más un hábito cuando pensamos en los cuantos como partículas. De hecho, la identificación de cuantos con partículas de sentido común a veces puede volverse bastante ardua, como es el caso de los fotones (ver, por ejemplo , https://link.springer.com/article/10.1007/BF01135846 ).