¿Pueden existir superposiciones coherentes de un neutrón y un antineutrón?

En mi publicación reciente, aprendí que la carga eléctrica siempre se conserva en contraste con el número cuántico de extrañeza , lo que limita los tipos de hadrones que se pueden construir. Además, también las diferentes masas en las superposiciones son... al menos dudosas.

Ahora existen Kaons en la siguiente forma:

| k 0 S ⟩ = | d s ¯ ⟩ − | d ¯ s ⟩ 2
| k 0 L ⟩ = | d s ¯ ⟩ + | d ¯ s ⟩ 2

que son superposiciones coherentes de una partícula diferente con su antipartícula.

Me pregunto, si algo como esto podría existir:

| norte ⟩ = | tu d d ⟩ + | tu ¯ d ¯ d ¯ ⟩ 2

En caso afirmativo: y1) ¿Cómo se observaría que tal partícula existe? y2) ¿Se ha observado esto en algún experimento?

Si no: n1) ¿Cuál es la razón física por la que no puede existir? (Todos los números cuánticos son iguales).

¿Quiere decir: hay una partícula que es una superposición coherente de un neutrón y un antineutrón? ¿O quiere decir: es teóricamente posible poner un neutrón y un antineutrón en superposición coherente? Estas son dos preguntas diferentes que probablemente tienen dos respuestas diferentes.
@PeterShor Oh, en serio, ¿son dos preguntas diferentes? ¡Esto es muy interesante! ¿Podría explicar por qué? Para mí (como no experto) parece ser lo mismo.
@CountIblis: Muchas gracias, leeré y reconsideraré mi pregunta.
Sin duda, podría (en teoría) diseñar un experimento en el que una superposición coherente de un neutrón y un antineutrón viajara una cierta distancia, después de lo cual se mide para verificar que realmente estaba en superposición. Pero también puede (en teoría) diseñar un experimento en el que una superposición de un fotón y dos fotones viaje una cierta distancia, después de lo cual se mide... Ciertamente no llamaría a esto una partícula de número de fotones 1.5.
@PeterShor Gracias: interesante, dices que debería ser posible que exista. Pero, ¿cuál es la diferencia con los Kaons que mencioné, por qué se consideran "partículas reales" y el estado neutrón-antineutrón no (al menos, no lo he encontrado en ninguna lista)?
En los kaones que mencionas, |d s ¯ ⟩ se convierte en | d ¯ s⟩ en una escala de tiempo razonable, y esto sucede en la naturaleza, por lo que tiene sentido considerar las superposiciones como partículas. Si hay procesos que no preservan el número bariónico y convierten un neutrón en un antineutrón, estos ocurren en escalas de tiempo mucho más largas que la vida media de un neutrón.
La definición de una partícula es algo arbitraria. Elegimos la base más natural del espacio de partículas de Hilbert (generalmente solo hay una) y llamamos a estos estados básicos "partículas". Las superposiciones generalmente tenderán a decoherirse en esa base. Los neutrinos en realidad tienen dos bases naturales diferentes: la base de los valores propios del sabor y la base de los valores propios de la energía. Se producen y detectan según la base del sabor y se propagan según la base de la energía.
@PeterShor gracias por esta información de seguimiento. esto ahora es suficiente para leer más sobre este tema, en particular, la violación de CP y la oscilación de partículas neutras. Curiosamente, se menciona en en.wikipedia.org/wiki/Neutral_particle_oscillation que el proceso neutrón <-> antineutrón no existe porque viola la conservación del número bariónico (que se conserva excepto en procesos como la anomalía quiral). Lo que explica por qué el proceso no ocurre dentro de la vida útil del neutrón, sin embargo, la mezcla de Kaon está permitida por el intercambio de bosones W. Aprendí mucho, gracias!
El número bariónico no es un número cuántico sagrado. Es una pregunta experimental si se viola o no, y las respuestas a y1) y no tan lejos a y2) están en la revisión .

Respuestas (1)

Entonces, existe esta regla divertida cuya procedencia no puedo recordar, pero cuya esencia es: todo lo que no está prohibido, eventualmente sucede. Esta regla es particularmente fecunda en la mecánica cuántica. Si se permite el proceso que describe, entonces cada neutrón ya es una superposición de neutrón y antineutrón, y la pregunta es si se pueden observar las oscilaciones entre el neutrón y el antineutrón.

El problema es que, para observar la oscilación, hay que dejar que la función de onda del neutrón evolucione de tal forma que no haya diferencia de energía entre norte y norte ¯ durante una fracción sustancial del tiempo de oscilación. Esto significa que cada interacción con la materia ordinaria, o con un campo magnético, constituye "una medida" y restablece el estado a neutrones puros . (Esta es una de las distinciones importantes del caso del kaón: el neutrón, a diferencia del kaón, lleva un momento angular y un momento magnético).

El grupo de datos de partículas da un límite inferior de aproximadamente 10 8 s ≈ 3 y r para norte → norte ¯ oscilaciones, basado (en el caso de los "neutrones libres") en la ausencia de detecciones en un experimento de principios de los noventa . La idea es que hagas un bote completo de neutrones lentos, los pases a través de un tubo muy largo donde no toquen las paredes y donde el campo magnético se haya vuelto muy débil, y los captures en un detector en el fondo. Los neutrones ordinarios generarán una señal de unos pocos MeV en un detector; los antineutrones producirán 2000 MeV de piones rápidos, bastante característicos.

Se habla de hacer un nuevo norte norte ¯ búsqueda de oscilaciones; Aquí hay algunas diapositivas recientes y un artículo reciente .

Para abordar los comentarios de Peter Shor sobre la accesibilidad experimental: supongamos que norte ↔ norte ¯ período de oscilación es T = 10 12 s = 2 π / ω norte norte ¯ . (no sé qué norte ↔ norte ¯ la escala de tiempo es competitiva con la desintegración de protones en la limitación de las grandes teorías unificadas, así que inventé una que es más grande que el límite actual pero no infinita). Simplemente ("simplemente", je) obtener norte neutrones y ponerlos en una botella durante la vida de un neutrón, τ norte = 10 3 s . La mitad de ellos se han descompuesto. La otra mitad ahora tiene una función de onda.

| ψ ⟩ = | norte ⟩ porque ⁡ τ norte ω norte norte ¯ + | norte ¯ ⟩ pecado ⁡ τ norte ω norte norte ¯
y la fracción que esperas encontrar en el estado antineutrón es pecado 2 ⁡ τ norte ω norte norte ¯ ≈ 4 π 2 × 10 − 18 . Así que si quieres ver 40 ± 6 antineutrones, necesitas 10 18 neutrones.

Son muchos neutrones (¡es un microgramo!) pero no son inaccesibles. He estado involucrado en experimentos que han capturado ≳ 10 18 neutrones en aproximadamente un año de tiempo de haz, para observar asimetrías de parte por billón con significación estadística real.

Pero... si la función de onda del neutrón evoluciona de esta manera, sucede mucho, mucho, mucho, mucho, mucho más lento que el tiempo de vida de un neutrón. Así que no importa si hay alguna interacción con la materia ordinaria o no: el neutrón se desintegra en promedio en menos de una hora, y probablemente tome miles de millones de años o más para oscilar a un antineutrón.
De hecho, el tiempo de vida medio del neutrón es de 880 s, mientras que el tiempo de oscilación neutrón-antineutrón hasta ahora se ha limitado a ≥ 10 8 s , pero, por supuesto, estos tiempos de vida son parámetros de población: ¡no todos los neutrones están muertos y desaparecidos después de 15 minutos! Esta es la belleza de las búsquedas ingeniosamente sensibles detalladas en el artículo de revisión citado dos veces.
@PeterShor Hay mucho espacio de parámetros interesante entre el límite actual 10 8 s y tu estimado 10 dieciséis s ; ver actualización.
¿Pueden existir superposiciones coherentes de un neutrón y un antineutrón?
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