Medición en una partícula descrita por una superposición cuántica de estados de quarks

Las palabras "estado propio único$|u\bar u\rangle$o$|d\bar d\rangle$" en la pregunta no es válido o no tiene sentido. Cada estado en el espacio de Hilbert es el estado propio de algunos operadores, pero sin decir cuál es el operador, la declaración de que el estado es un "estado propio" es vacía.

El estado$|u\bar u \rangle$es un estado propio de algunos operadores como el número de$u$-quarks, con el valor propio$N_u=1$, pero lo importante es que este estado (y el estado similar con el$d$-quarks) no es un estado propio de energía o masa. Los Estados$|u\bar u\rangle$y$|d\bar d\rangle$puede parecer "más simple", pero para construir un estado propio de masa, la naturaleza no los elige a ellos, sino a la superposición "aparentemente más complicada" que escribió.

Porque$|u\bar u\rangle$no es un estado propio de masa/energía, si preparamos una partícula en este estado inicial, no permanecerá en él. En cambio, oscilará entre$|u\bar u\rangle$y$|d\bar d\rangle$. De hecho, debido a que los valores absolutos de los coeficientes frente a ambos términos son iguales, tratamos con la oscilación máxima que puede cambiar de la pura$|u\bar u\rangle$estado al puro$|d\bar d\rangle$y atrás, adelante y atrás, como cuando el oscilador armónico cambia toda la energía de la potencial a la cinética y viceversa.

La frecuencia de estas oscilaciones puede predecirse y verificarse teóricamente; el elemento fuera de la diagonal de la energía entre los estados$|u\bar u\rangle$y$|d\bar d\rangle$es la causa de la oscilación (y de la necesidad de tener una superposición si queremos un estado propio de energía), es proporcional a la frecuencia de las oscilaciones. Es posible medir si la partícula está en el$|u\bar u\rangle$estado o el$|d\bar d\rangle$estado: es posible medir observables tales como$N_u$. Por ejemplo, bombardear el pión con una gran cantidad de$u$-quarks (y asegúrese de que no haya$d$quarks en la viga). Semejante$u$-los quarks pueden aniquilarse con el$\bar u$en el$u\bar u$estado del pión y aniquilar a los fotones, mientras que no podrán hacer lo mismo con el pión en el estado$d\bar d$.

¿Es posible diseñar un experimento que nos dé acceso a cierta información sobre el sistema y hacer que la función de onda colapse en un solo estado propio |uu¯⟩ o |dd¯⟩? ¿Cuáles serán las implicaciones con respecto a la partícula y su masa?

La descripción del pi0 como una combinación lineal de pares de quarks-antiquarks es útil en la clasificación de los quarks constituyentes que lo componen. Debido a las interacciones QCD que lo mantienen unido (no por mucho tiempo, ya que pi0 decae electromagnéticamente rápidamente a dos gammas), esos no son los únicos quarks en el juego, son los quarks constituyentes. Debido a QCD, existe un mar de quarks, antiquarks y gluones que vinculan todo el sistema a la pi0masa. Y todo ese lío tiene que equilibrar el número cuántico de color que además de altibajos caracteriza a los quarks.

La complejidad es tal que normalmente se utilizan partículas que interactúan débilmente y/o electromagnéticamente como sondas de la naturaleza de los quarks, que es la forma en que se ha verificado la existencia de los quarks: dispersión inelástica profunda. No hay quarks up o down libres, debido a la naturaleza de QCD, para que los utilicen los experimentadores, y pi0 se descompone en dos gammas muy rápido. Por lo tanto, su experimento propuesto no se puede hacer.