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Solución:
La primera generación de partículas elementales no son compuestas por observación y, por lo tanto, no se ve que se desintegran. Se muestran en esta tabla del modelo estándar de física de partículas en la columna I.
El modelo estándar de partículas elementales, con las tres generaciones de materia, bosones gauge en la cuarta columna y el bosón de Higgs en la quinta.
Todas estas partículas interactúan con algunas de las fuerzas existentes, por lo que existen potenciales entre ellas formando estados ligados si la energía de la interacción es apropiada.
Los quarks de diversas formas se unen por dos (mesones) o por tres (bariones) con la fuerza fuerte y también interactúan electromagnéticamente. Cuando se une a un protón, la interacción electromagnética con un electrón crea el estado ligado del átomo de hidrógeno. Los átomos crean estados unidos estables en moléculas.
Una resonancia describe un estado en estos potenciales que es inestable, es decir, decae en el tiempo dentro de nuestro horizonte de observación. Un átomo de hidrógeno, por ejemplo, puede tener su electrón impulsado a un nivel de energía más alto y estar en un estado excitado, hasta que se desintegra de nuevo al estado fundamental.
Para energías bajas, no relativistas, una resonancia es una excitación temporal que se ve al dispersar un núcleo con un neutrón, por ejemplo. El término se utiliza ampliamente en física y tecnología nucleares.
En la física relativista de partículas, el modelo potencial ha sido reemplazado por el modelo teórico del campo cuántico debido a su conveniencia en la descripción y los cálculos. Estos son experimentos de dispersión donde la medida es de la sección transversal total, como explica @innisfree en su respuesta.
La dispersión $ e ^ + $ $ e ^ – $ en LEP, un electrón y un positrón en una colisión frontal “se unen” durante un tiempo en un centro específico de energía de masa y muestran la partícula $ Z $. La sección transversal es una medida de qué tan grandes se ven las partículas, y en $ Z $ su probabilidad de interacción es mucho mayor que en las energías anteriores o posteriores. El $ Z $ luego se muestra como una resonancia.
La independencia de la dispersión de la existencia de resonancias, dándoles el estado de partículas, se ve en los productos de los experimentos de dispersión cuando las combinaciones apropiadas de partículas salientes, piones y protones y electrones, etc., se grafican contra su masa invariante.
Por ejemplo, aquí está el $ Z0 $ en los productos de las colisiones de alta energía en el LHC, cuando se mira la masa invariante de ($ mu + $ $ mu- $). El fondo se ha restado aquí. El original también está en el enlace.
Un gráfico de resonancia típico cuyo ancho está limitado por los errores experimentales y no es el true ancho que daría el tiempo de decaimiento del par.
Las resonancias, cuando los errores experimentales son menores que el ancho físico, se describen mediante una función de Breit Wigner de la que se puede extraer el ancho intrínseco, que caracteriza la interacción. Cuando los errores experimentales son grandes, un ajuste estadístico gaussiano dará la masa para identificar la resonancia pero no información sobre la desintegración.
En un experimento en el que las partículas chocan, un resonancia es un pico grande en una sección transversal (velocidad a la que ocurre un proceso) cuando se representa frente a la energía de las partículas entrantes. Por ejemplo, cuando LEP colisionó electrones con positrones, vieron una resonancia cuando la energía de las partículas entrantes igualó la masa del bosón $ Z $.
Las resonancias resultan de una partícula de canal $ s $; en el ejemplo anterior, ese era el jefe $ Z $, en el proceso $ ee to Z to ell ell $. Las resonancias, como el bosón $ Z $, decaen rápidamente con una vida útil proporcional al ancho del pico y una masa igual a la energía en el pico. El pico en sí es descrito por un Breit-Wigner.
Las resonancias tienen masa y carga definidas y deben considerarse en pie de igualdad con otras partículas. De hecho, la mayoría de las partículas son resonancias, porque la mayoría de las partículas son inestables y solo se ven de esta manera.
En el marco conceptual de la mecánica cuántica, el límite entre las partículas y los estados (excitados o fundamentales) desaparece. Una partícula es un estado y un estado es una partícula. (Más precisamente, las partículas son estados propios del operador de energía – en el caso de baja energía – o del operador de masa – en el caso de alta energía). Un sistema físico con una escalera de niveles de energía no difiere del conjunto de tipos de partículas con una escalera de masas. Sus descripciones matemáticas son esencialmente las mismas. “Partículas” y “estados” son solo dos lenguajes diferentes para la misma realidad. Han surgido claramente por razones históricas, y en la física moderna se usan indistintamente. (A veces, las palabras en particular son las preferidas por la tradición).
Entonces, la partícula de resonancia podría entenderse como el nivel excitado o el estado unido de dos partículas en colisión. Si no existe tal estado, dos partículas rebotan entre sí de manera indiferente (la sección transversal no tiene picos). Pero si existe tal estado, las partículas se “pegan” entre sí, y eso aumenta el valor de la sección transversal. Luego permanecen en ese estado durante algún tiempo, antes de separarse nuevamente, y eso hace que el pico tenga una forma típica de tipo gaussiano, con el ancho dado por la tasa de desintegración ($ Gamma = 1 / tau $). Eso sucede esencialmente de la misma manera para muchos sistemas diferentes:
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dos átomos que forman un enlace químico temporal (para arreglarlo para siempre, tienen que perder energía de alguna manera)
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un átomo y un fotón, en la dispersión elástica
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una partícula y otra partícula, cuya energía es suficiente para hacer una tercera partícula intermedia
etcétera.
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