Normalmente no consideramos la posibilidad de que las partículas sin masa puedan sufrir una desintegración radiactiva. Hay argumentos elementales que lo hacen parecer inverosímil. (Un montón de lo siguiente se resume de Fiore 1996. La mayor parte del resto, excepto cuando se indica, son mis ideas, muchas de las cuales probablemente estén equivocadas).
1) Normalmente indicamos el tiempo de vida de una partícula en su marco de reposo, pero una partícula sin masa no tiene un marco de reposo. Sin embargo, es posible para toda la vida ser proporcional a la energia mientras se preserva la invariancia de Lorentz (básicamente porque el tiempo y la masa-energía son componentes temporales de cuatro vectores).
2) La constante de proporcionalidad entre y tiene unidades de masa -2 . Es extraño que una constante tan dimensional aparezca de la nada, pero no es imposible.
3) Por lo general, nos gustaría que los observables de una teoría fueran funciones continuas de sus parámetros de entrada. Si es una partícula de masa , entonces un decaimiento como está prohibido por la conservación de la masa-energía para m>0, pero no para m=0. Esta discontinuidad es fea, pero QFT tiene otros casos en los que ocurre tal discontinuidad. Por ejemplo, históricamente, los bosones masivos no eran triviales para incorporar a QFT.
4) En una decadencia como , todos los productos tienen que ser colineales. Esto es un poco extraño, ya que no permite la distinción clara que normalmente se supone en un diagrama de Feynman entre líneas interiores y exteriores. También significa que puede ocurrir una "descomposición" subsiguiente. Extraño pero no imposible.
Entonces, ¿qué pasa con los argumentos menos elementales? Mi experiencia en QFT es bastante débil (el curso de posgrado estándar, hace más de 20 años, apenas se recuerda).
5) La colinealidad de los productos de decaimiento hace que el volumen del espacio de fase desaparezca, pero las amplitudes pueden divergir para compensar esto.
6) Si está acoplado a algún fermión , entonces uno esperaría que la descomposición correspondería a un diagrama de Feynman con una caja hecha de 's y cuatro patas hechas de 's. Si es una partícula masiva como un electrón, . Allen en los foros de física argumenta que cuando la energía de la inicial tiende a cero, el no debería poder "ver" el campo de alta energía , por lo que la probabilidad de descomposición debería ir a cero, y la vida útil debe ir al infinito, lo que contradice el requisito de de la invariancia de Lorentz. Esto parece descartar el caso en que es masivo, pero no es el caso donde no tiene masa.
7) Si es un fotón, entonces el decaimiento está prohibido por argumentos que a mí me parecen técnicos. Pero esto no prohíbe las caries cuando es cualquier partícula sin masa.
8) Están sucediendo algunas cosas termodinámicas extrañas. Considere una partícula unidimensional en una caja de longitud . Si uno se introduce inicialmente en la caja con energía , dónde es la energía del estado fundamental, luego sufre decaimientos y "no decae", y si tengo mi estimación básica con la fórmula de Stirling correcta, creo que termina maximizando su entropía al decaer en aproximadamente hijas a una temperatura . Si luego lo dejas fuera de la caja para que se expanda libremente, actúa de manera diferente a un gas normal. Su temperatura se acerca a cero en lugar de permanecer constante, y su entropía se acerca al infinito. Puede que me esté faltando algo técnico sobre termo, pero esto parece violar la tercera ley.
Entonces mi pregunta es esta: ¿Existe algún argumento fundamental (y preferiblemente simple) que haga inverosímil la descomposición de partículas sin masa? No creo que se pueda demostrar que es completamente imposible, porque Fiore ofrece teorías de campo que son contraejemplos, como la gravedad cuántica con una constante cosmológica positiva.
Referencias:
Estoy de acuerdo con la respuesta de qftme para el caso de productos de descomposición masiva. Solo por conservación de energía, debería permitirse, pero la conservación del impulso lo prohíbe (así como en el caso contrario, aniquilación). Solo está permitido si tiene alguna otra partícula involucrada para cuidar el impulso del fotón.
En el caso de que una partícula sin masa se descomponga en otras partículas sin masa, esto solo funciona si sus partículas tienen una autointeracción. Hasta donde yo sé, solo puedes tener esto para Bosons. QED (fotones) no tiene interacción propia, y los bosones débiles (W, Z) son masivos, pero es bien sabido que esto ocurre en QCD en forma de . De hecho, es más probable que los gluones interactúen a energías más bajas que a energías más altas donde QCD es asintóticamente libre , lo que significa que la interacción se comporta bien y es débil, y podemos usar la teoría de la perturbación. A bajas energías, los gluones siguen dividiéndose y produciendo quarks o gluones de energía aún más baja, hasta que en cierto sentido hay "infinitamente muchos" de energía "infinitamente baja". Esto es lo que se llama divergencia infrarroja . Puede sonar extraño, pero en la práctica todas las cantidades observables siguen siendo finitas, por lo que no hay de qué preocuparse.
Su punto número 5 también se aplica aquí. Los productos de desintegración no solo son de muy baja energía, sino que tienden a ser muy colineales ( divergencia colineal ). Esta es la fuente de los famosos "chorros" que aparecen en los experimentos con colisionadores de alta energía.
" ¿Existe algún argumento fundamental (y preferiblemente simple) que haga inverosímil la descomposición de partículas sin masa? "
Para la descomposición en partículas masivas : no creo que necesite más que la Relatividad Especial para responder a esto:
Las partículas sin masa viajan necesariamente a la velocidad de la luz. Por lo tanto, incluso si fueran inestables, no pueden decaer en ningún marco de referencia. En última instancia, esto se debe a la naturaleza de la dilatación del tiempo en la Relatividad Especial. En cierto sentido, se podría decir que las partículas sin masa (que deben viajar a ) no experimentan el tiempo y por lo tanto no pueden decaer.
En más lenguaje tipo QFT:
Para simplificar, considere un diagrama a nivel de árbol de una hipotética descomposición de fotones:
la invariancia traslacional del vacío significa que la conservación del momento no permite esta transición; ya que el tres-momento del par virtual debe ser cero mientras que el del fotón no puede ser cero (ya que viaja a en todos los marcos de referencia.)
Sin embargo, tenga en cuenta que en los diagramas de Feynman como para: a través de un fotón virtual, , el intercambio de la situación es algo diferente. Un fotón virtual tiene una masa finita y, por lo tanto, un marco de reposo, por lo que el impulso de tres se conserva en cada vértice. Sin embargo, esto no debe denominarse la descomposición de un fotón y no significa que un fotón real pueda decaer.
Para la descomposición en partículas sin masa : ?
Me doy cuenta de que esto solo aborda una parte de la pregunta, pero si nadie más contribuye con una respuesta más completa, me esforzaré por ampliarla una vez que haya investigado un poco más.
La conversión descendente paramétrica espontánea tiene las propiedades requeridas de un decaimiento :
... dividir fotones en pares de fotones que, de acuerdo con la ley de conservación de la energía, tienen energías combinadas y momentos iguales a la energía y el momento del fotón original...
El proceso fue descubierto de forma independiente por dos pares de investigadores a fines de la década de 1980: Yanhua Shih y Carroll Alley, y Rupamanjari Ghosh y Leonard Mandel.
R. Ghosh y L. Mandel, "Observación de efectos no clásicos en la interferencia de dos fotones", Phys. Rev. Lett. 59, 1903 (1987)
En mi opinión, también se puede calificar como decaimiento y soy consciente de que hay otras interpretaciones, la
con la ayuda de un núcleo/neutrón (un catalizador), y
en colisiones frontales se reportan.
Enlaces relevantes en la página de KIRK T. MCDONALD y en la página de inicio del Experimento 144 de SLAC .
Luego, el rayo gamma choca con cuatro o más fotones láser para producir un par electrón-positrón.
Si tuviéramos la descomposición de partículas sin masa, entonces no habría razón para que un fotón no se desintegre de una energía de en dos fotones de energía . Eventualmente, todos nuestros fotones se desplazarían hacia el rojo hasta el olvido y no nos quedaría luz en el universo.
Dan
usuario4552
ENDEBLE
qftme
usuario1631
Quillo