Portador de fuerza

En la teoría cuántica de campos , un portador de fuerza es un tipo de partícula que genera fuerzas entre otras partículas. Sirven como los cuantos de un tipo particular de campo físico . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Los portadores de fuerza también se conocen como partículas mensajeras , partículas intermedias o partículas de intercambio . ^{[ 3 ]}

Las teorías cuánticas de campos describen la naturaleza en términos de campos . Cada campo tiene una descripción complementaria como el conjunto de partículas de un tipo particular. Una fuerza entre dos partículas puede describirse como la acción de un campo de fuerza generado por una partícula sobre la otra, o en términos del intercambio de partículas portadoras de fuerza virtuales entre ellas. ^{[ 4 ]}

La energía de una onda en un campo (por ejemplo, una onda electromagnética en el campo electromagnético ) está cuantizada, y las excitaciones cuánticas del campo pueden interpretarse como partículas. El Modelo Estándar contiene las siguientes partículas portadoras de fuerza, cada una de las cuales es una excitación de un campo de fuerza particular:

• Gluones , excitaciones del campo de gauge fuerte .
• Fotones , bosones W y bosones Z , excitaciones de los campos de gauge electrodébiles .
• Los bosones de Higgs son excitaciones de un componente del campo de Higgs , que da masa a las partículas fundamentales.

Además, las partículas compuestas, como los mesones y las cuasipartículas , pueden describirse como excitaciones de un campo efectivo .

La gravedad no forma parte del Modelo Estándar, pero se cree que podrían existir partículas llamadas gravitones , que serían las excitaciones de las ondas gravitacionales . El estatus de esta partícula aún es provisional, debido a que la teoría está incompleta y a que las interacciones de gravitones individuales podrían ser demasiado débiles para ser detectadas. ^{[ 5 ]}

Cuando una partícula rebota en otra, alterando su trayectoria, existen dos maneras de concebir el proceso. En la representación de campo, imaginamos que el campo generado por una partícula ejerce una fuerza sobre la otra. Alternativamente, podemos imaginar que una partícula emite una partícula virtual que es absorbida por la otra. La partícula virtual transfiere momento de una partícula a la otra. Esta perspectiva de partículas resulta especialmente útil cuando existen numerosas correcciones cuánticas complejas en el cálculo, ya que estas correcciones pueden visualizarse como diagramas de Feynman que contienen partículas virtuales adicionales.

Otro ejemplo que involucra partículas virtuales es la desintegración beta, donde un nucleón emite un bosón W virtual que luego se desintegra en e ^± y (anti)neutrino.

La descripción de las fuerzas en términos de partículas virtuales está limitada por la aplicabilidad de la teoría de perturbaciones de la que se deriva. En ciertas situaciones, como la cromodinámica cuántica (QCD) de baja energía y la descripción de estados ligados , la teoría de perturbaciones deja de ser válida.

El concepto de partículas mensajeras se remonta al siglo XVIII, cuando el físico francés Charles Coulomb demostró que la fuerza electrostática entre objetos con carga eléctrica sigue una ley similar a la ley de gravitación de Newton . Con el tiempo, esta relación se conoció como la ley de Coulomb . En 1862, Hermann von Helmholtz describió un rayo de luz como el "mensajero más rápido". En 1905, Albert Einstein propuso la existencia de una partícula de luz en respuesta a la pregunta: "¿Qué son los cuantos de luz?" .

En 1923, en la Universidad de Washington en San Luis , Arthur Holly Compton demostró un efecto ahora conocido como dispersión Compton . Este efecto solo se explica si la luz puede comportarse como un flujo de partículas, y convenció a la comunidad física de la existencia de la partícula de luz de Einstein. Finalmente, en 1926, un año antes de que se publicara la teoría de la mecánica cuántica, Gilbert N. Lewis introdujo el término " fotón ", que más tarde se convirtió en el nombre de la partícula de luz de Einstein. ^{[ 6 ]} A partir de ahí, el concepto de partículas mensajeras se desarrolló aún más, en particular a portadores de fuerza masivos (por ejemplo, para el potencial de Yukawa ).

• partícula virtual
• Interacción fundamental
• Excitón