¿Puede el protón desintegrarse en partículas fundamentales por sí solo cuando su velocidad se acerca a la de la luz?

Dado que la energía de una partícula depende del marco, no es particularmente significativo discutir la energía de una sola partícula, por sí misma. La razón de esto es que uno puede encontrar un marco de referencia en el que esa partícula tenga cualquier energía cinética arbitraria, y dado que las leyes de la física son las mismas en todos los marcos de referencia inerciales, no podemos permitir que un protón se desintegre en un marco y continúe existiendo en otro. . Es por esto que los protones deben chocar con otra cosa (otro protón moviéndose en la dirección opuesta, en el caso del LHC) para producir una reacción interesante. Como tal, la cantidad más interesante a observar es la energía de la colisión, que es la misma en todos los marcos de referencia, dada por la suma de las energías de los protones en el marco del centro de masa.

¿Cómo estamos tan seguros de que a medida que el protón gana más y más energía, no se rompería en partículas más fundamentales por sí solo sin chocar con otra partícula?

No, no lo haría. Ningún experimento ha demostrado jamás que un protón libre se desintegre$^1$.

En el LHC, los protones se han acelerado a velocidades de hasta aproximadamente$3 \frac{m}{s}$menos que la velocidad de la luz. Esto corresponde a un factor de Lorentz de$\gamma \approx 7000$correspondiente a una velocidad$v=0.99999999c$. Pero incluso a esta velocidad, el protón aún no se descompone, y no debería hacerlo, ya que aún puede encontrar un marco de referencia donde la energía cinética del protón sea arbitraria. Recuerde que la energía cinética es una cantidad dependiente del marco.

En otras palabras, ¿es posible que a medida que la energía se vuelve bastante grande (o, a medida que su velocidad tiende a acercarse a la velocidad de la luz), el protón se desintegra en otras cosas por sí mismo?

Una vez más, la energía cinética depende del marco. Siempre puede encontrar un marco donde su energía cinética sea arbitraria. Esta es la razón por la cual el protón solo se desintegrará en otras partículas si choca con otro protón, moviéndose en la dirección opuesta.

$^1$La desintegración de protones fue la primera hipótesis de Sajarov en 1967. Incluso después de muchos experimentos, nunca se ha observado la desintegración de protones. Algunos experimentadores han concluido que el tiempo de vida de un protón tiene que ser mayor que$10^{34}$años. Eso es,$10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000$años.

Para entidades como partículas, átomos, moléculas, cuando se habla de energía se debe utilizar la relatividad especial y sus cuatro vectores.

La "longitud" del cuatro vector de momento de energía es la masa invariable que describe las entidades

La energía del protón que le preocupa es$E$. Cuando no hay cantidad de movimiento, la partícula está en reposo, se obtiene la masa invariante,$m_0$que caracteriza a una partícula para cualquier cantidad de movimiento. Por lo tanto, como solo hay límites sobre la descomposición del protón, no hay forma dentro de la física convencional de suponer que un protón se desintegrará.

El impulso con el que se puede estar moviendo es irrelevante, la masa en$E=mc^2$es la masa relativista que ya no se usa porque da lugar a tales confusiones.

Dentro de la corriente principal de la física, el impulso del protón no tiene nada que ver con su estructura interna. El protón es el mismo en todos los marcos de inercia.

Las tasas de descomposición de las partículas tienen que ser independientes del marco de referencia en el que se ven (teniendo en cuenta la dilatación del tiempo). De ello se deduce que simplemente acelerar una partícula a una velocidad muy alta no puede inducirla a decaer más rápidamente. Si ese no fuera el caso, inmediatamente te encuentras con contradicciones imposibles. Considere un grupo de un billón de protones, digamos, estacionario aquí en la Tierra. Ahora imagine que son pasados ​​por diez observadores separados, cada uno viajando a una velocidad diferente, muy cercana a la velocidad de la luz. Dado que cada uno de esos observadores considerará que las partículas tienen una energía diferente, cada observador esperaría ver un número diferente de protones desintegrados, lo que es claramente imposible.

Si se tiene en cuenta la dilatación del tiempo, la posición se vuelve aún más paradójica. A medida que los observadores se mueven a una velocidad creciente más allá de nuestro grupo de un billón de protones, ven que el tiempo experimentado por los protones se dilata, por lo que, en todo caso, la vida útil de los protones se prolongaría, no se acortaría por su mayor velocidad.

Varios conceptos erróneos en esta pregunta.

1. La energía cinética es una propiedad de la partícula en un sistema de coordenadas dado. Realiza el siguiente experimento: imagina un sistema de coordenadas moviéndose al 99,9999991% de la velocidad de la luz con respecto a ti. En ese sistema de coordenadas te mueves al 99,9999991% de la velocidad de la luz y tu energía cinética es enorme. Sin embargo, mientras realiza el experimento no notará ningún cambio en su cuerpo o en su entorno, y realizar esta imaginación es completamente seguro.

2. La energía cinética no es la energía interna de un objeto. Considere los siguientes ejemplos:

   a) Tiras un trozo de hielo. Aumentas su energía cinética, pero no le pasa nada malo mientras vuela.

   b) Un trozo de hielo volador golpea el suelo. Puede romperse, porque su energía cinética se transforma en otras formas de energía, como ondas mecánicas o calor.

   c) Pones un trozo de hielo en una estufa y enciendes la calefacción. Pronto el hielo se derretirá. La pieza no se mueve, no aumentas su energía cinética. Prefieres aumentar su energía térmica. La energía térmica está relacionada con la energía cinética de las moléculas de agua individuales, pero la energía cinética total de toda la pieza de hielo sigue siendo 0.

   El hecho de que un protón se mueva rápido no cambia nada al respecto. Los quarks y gluones que forman un protón que se mueve rápidamente se comportan igual que los de uno estacionario. Solo si nuestro protón choca con algo, por ejemplo, con otro protón que se mueve en dirección opuesta, sus energías cinéticas pueden transformarse en otra cosa, por ejemplo, rompiéndolos y formando nuevas partículas.

   Un protón que se mueve rápidamente es algo bastante diferente de lo que se llama protón excitado o, más a menudo, nucleón excitado que tiene una energía interna elevada, en forma de momento angular y configuración de espín. Los nucleones excitados se pueden crear en colisiones de alta energía, como las del LHC, y son muy inestables; después de un tiempo muy corto, liberan su energía extra (en forma de nuevas partículas) y se descomponen de nuevo al estado "regular" de protones o neutrones.

3. Varias personas mencionaron caries. Creo que esto no es lo que preguntaste. Usted habla de la desintegración de un protón debido a su gran energía interna, por ejemplo, de manera similar a romper o derretir un trozo de hielo. La única forma que tenemos de aumentar la energía interna es haciendo chocar el protón con otra cosa. Eso es algo completamente diferente a la descomposición espontánea.

   Algunas partículas son inestables y se descomponen en otras partículas después de algún tiempo. Se teoriza la descomposición del protón, sin embargo, no se ha descubierto experimentalmente. Por lo tanto, el protón es estable o su vida útil es extremadamente larga.

   La descomposición de las partículas se ve afectada por su movimiento, debido a la dilatación del tiempo . El tiempo pasa más lento para un objeto en movimiento. Por ejemplo, los muones producidos por las interacciones de los rayos cósmicos en lo alto de la atmósfera llegan al suelo, a pesar de su vida media de 2,2 µs multiplicada por la velocidad máxima que pueden tener, la velocidad de la luz es de sólo 660 m. Entonces, si el protón pudiera realmente decaer, sería incluso menos probable que lo hiciera si se moviera con una velocidad relativista en un acelerador.

No, no puede.

En última instancia, este hecho se decide mediante la observación, pero encaja dentro de una propiedad general de las leyes de la física que se conoce incluso en circunstancias más cercanas a la escala humana cotidiana: que el movimiento es relativo.

Lo que esta afirmación significa es lo siguiente. Si considera un objeto en particular y su entorno, las leyes de la física generarán la misma historia futura (*) en la situación en la que ese objeto se mueve y el entorno está estacionario, como cuando el objeto está estacionario y el entorno se mueve en el manera complementaria (es decir, con la dirección y velocidad opuestas), siempre que, por supuesto, también ajustemos la historia generada en el futuro del primer escenario para sesgar el movimiento en consecuencia para traducirlo al segundo.

Supongamos que existiera una partícula con la propiedad de que pudiera explotar espontáneamente, como imaginas, a una velocidad adecuada. Digamos que cuando se acerca adecuadamente a la velocidad de la luz (alrededor de 300 megámetros por segundo [Mm/s]), se vuelve inestable y estalla después de un corto tiempo de vuelo, digamos 4 segundos. (Nota: para cualquiera que sepa sobre desintegraciones de partículas reales , que mencionaré más adelante, esto es obviamente "demasiado determinista", pero estoy tratando de mantener las cosas simples).

Ahora imagine cómo se vería la historia: en el segundo 1 viaja 300 Mm, en el segundo 2 ha viajado 600 Mm, en el segundo 3 ha viajado 900 Mm, luego en el segundo 4, justo cuando su odómetro finalmente llega a ~1200 Mm ( aproximadamente 3 veces más lejos que la Luna!) de repente estalla en una lluvia de quarks.

Ahora suponga que este mismo comportamiento no se observó si fuera "quedarse en casa". 10 segundos, 100, 1000 más tarde todavía estaría allí, mientras que las partículas en movimiento estallarían de forma fiable a los 4 segundos y un desplazamiento de ~1200 mm una vez a, digamos, el 99,99 % de la velocidad de la luz o más.

Ahora considere dos de esas partículas del mismo tipo, comenzando desde el mismo punto. Uno está "descansando", el otro se está moviendo "cerca de la velocidad de la luz". La segunda partícula irrumpe a los 4 s en, mientras que la primera permanece integrada para siempre . Recuerda lo que dije anteriormente sobre la transformación. Supongamos que transformo esta historia para que la partícula "en reposo" ahora se mueva hacia atrás a 300 Mm/s, y la partícula "motora" esté en reposo. Si se va a mantener la propiedad de que el movimiento es relativo, entonces debemos tener una de dos cosas:

1. si la propiedad de "la partícula se descompone en 4 segundos" debe mantenerse, entonces en esta historia transformada debemos tener que la partícula "motora" que ahora descansa explota en algún punto. Pero las partículas en reposo no pueden estallar,

2. si se mantiene la propiedad de que "la partícula es estable", entonces la partícula que ahora se mueve "en casa", 100, 1000 s, o incluso muchas edades del universo, más tarde seguirá intacta, en contradicción con la regla de que " "cerca de la velocidad de la luz" las partículas deben estallar después de 4 s.

O para pensarlo de otra manera, simplemente cambiar los movimientos de las cosas matemáticamente no puede crear o eliminar un fenómeno complejo como la ruptura de un objeto en una lluvia de objetos más pequeños. Por lo tanto, si tal cosa realmente ocurrió a una velocidad pero no a otra, podemos usar eso para inferir nuestra velocidad: solo tenemos una partícula del tipo dado en reposo con nosotros, y si la vemos estallar frente a nuestros ojos , entonces sabemos que debemos estar viajando al 99,99% de la velocidad de la luz, absolutamente, y con suficientes mediciones de este fenómeno podemos extrapolar un marco de referencia universal con respecto al cual podemos decir que todo es .

Sin embargo, en última instancia, como se mencionó, la indetectabilidad de cualquier marco de referencia universal putativo en esta forma sigue siendo solo una verdad empírica. Tal vez existan tales partículas por ahí, pero no hemos visto ninguna, y se vuelve cada vez menos probable a medida que obtenemos más evidencia, al igual que con cualquier cosa en la ciencia. Y del mismo modo con el razonamiento científico, la sólida trayectoria del principio de movimiento relativo nos permite decir que

Dicho todo lo anterior, aquí hay una sutileza importante que merece mención. Conocemos muchas partículas que " explotan " espontáneamente como se acaba de describir: se llaman partículas inestables y, de hecho, la mayoría de las partículas en el modelo estándar son inestables, como lo son la mayoría de los compuestos de quarks, excepto el protón y el neutrón cuando se unen. en un núcleo (¡de nuevo, hasta donde podemos observar!). Pero también hay algo que podemos observar con ellos que puede hacerte cuestionar esto: si tomamos, digamos, un muón, esencialmente una versión pesada de un electrón que proporciona el Modelo Estándar, que "en reposo" se desintegra en un promedio de 2.2 μs, luego lo aumentamos a cerca de la velocidad de la luz, lo veremos decaer más lentamenteque eso, no más rápido, sino más lento: por ejemplo, cerrar adecuadamente ahora tomará ~ 2200 μs, digamos. ¿Significa esto que la velocidad "estabiliza" las partículas?

La respuesta, de nuevo, es no: primero, tenga en cuenta que en un caso no tenemos ningún decaimiento frente a la presencia de un decaimiento , mientras que aquí solo tenemos un cambio en la cantidad de tiempo. Pero en segundo lugar, y de manera más completa, podemos ver que esto se puede explicar por completo complicando solo un poco más la transformación que usamos cuando relacionamos historias en reposo versus movimiento, es decir, necesitamos hacer algunos ajustes más para convertir una historia a otra. como en lo que describí antes, las leyes de la física lo "aceptarán" como verdadero, pero aún son relativamente simples y, lo que es más importante, universalmente aplicablestransformaciones matemáticas, lo que significa que incluso en situaciones completamente diferentes, la misma transformación conservará la misma física. Esta es una base de la relatividad especial, pero el punto es que las leyes de la física todavía tienen una simetría de movimiento , simplemente "formada" un poco diferente.

(*) Si lo prefiere, otra forma de pensar en las leyes de la física es que "verifican" historias candidatas particulares como "físicamente plausibles" o no, y estamos diciendo que si cambiamos cada historia adecuadamente en la otra mediante un transformación matemática, las leyes de la física volverán a comprobar su validez.