4. El marco teórico

 

4.4 TEORÍA CUÁNTICA DE CAMPOS
4.4.2b El carácter de las partículas virtuales

    Estábamos hablando del extraño carácter de las partículas “virtuales”, cuyo intercambio entre las “reales” daría lugar a las interacciones. El problema es que estas partículas mediadoras parecen no respetar el sagrado principio de conservación de la energía.

   La explicación/interpretación usual invoca la relación E – t de Heisenberg de la que hablamos en 4.2.3 (llamada a menudo “relación de indeterminación”):

    Todas las partículas “reales” están emitiendo continuamente partículas “virtuales”, en aparente violación de la conservación de la energía. Decimos aparente porque la energía de las partículas no está definida más que dentro de un intervalo E ligado a su duración  por la relación de Heisenberg.

  Como las partículas virtuales deben ser reabsorbidas en ese tiempo , no hay problema con la energía; al final el balance siempre cuadra. Si la reabsorción es por parte de otra partícula real, entonces ha tenido lugar una interacción. Estas partículas virtuales son estrictamente indetectables como tales, cuando son absorbidas todo ha vuelto a la normalidad y la ley sigue en pie.

  De todo esto se obtiene además un premio inesperado, se puede relacionar el alcance de las interacciones con la masa de las partículas intermediarias. Veamos.

  No todas las interacciones son iguales, evidentemente. Para empezar cada interacción es producida por y afecta a (hay simetría total) un atributo distinto de las partículas. Por ejemplo, la interacción electromagnética está ligada a la carga eléctrica, la gravitatoria a la masa – energía, la antes llamada “fuerte” a la “carga de color”,... Además, las diferentes interacciones tienen distinta intensidad. Finalmente, desde hace muchos años se sabe, por ejemplo, que las interacciones nucleares son de muy corto alcance, limitado al núcleo, mientras que de las electromagnéticas se puede decir que son de alcance infinito. En resumen:

NOTAS:
– Las interacciones electromagnética y débil están (más o menos) unificadas, pero así se entiende mejor lo que hacen.
La intensidad es un concepto engañoso porque depende de la energía a la que tengan lugar las interacciones. Aquí se ha calculado para dos quarks u a 3·10–15 m.
La interacción de color tiene varias características extrañas, entre otras la de su intensidad aumenta con la distancia, en lugar de disminuir. Por eso los quarks son casi libres dentro de las partículas que forman, pero no se pueden separar fácilmente (y no se ven aislados).

   Para estimar el alcance de una interacción debida al intercambio de partículas de masa m, recordemos que la relación entre su energía E y su duración debe cumplir algo así como E· ~ . La mínima energía que puede tener una partícula es su energía en reposo, E = mc2, con lo que ~ /mc2. El alcance estará relacionado con la distancia máxima que pueda alcanzar en ese tiempo la partícula virtual. Como c, la velocidad de la luz en el vacío, es el límite de las velocidades posibles:

alcance = d ~ c ~ h/mc,

mayor cuanto menor sea la masa de la partícula mediadora e infinito si m = 0.

   Si ponemos para la interacción débil un alcance, d ~ 10–18 m (y no 10–15 m como erróneamente se indica en la tabla anterior; gracias a Ramón Cid por indicármelo), esperamos para su(s) partícula(s) mediadora(s)

mc2 ~ c/d ~ 100 GeV.

   Es (algo) más que una coincidencia el que las partículas W y Z tengan masas de unos 80 y 90 GeV/c2, respectivamente.