Question:
Comment se fait-il que les particules «plus petites et plus faibles» soient plus massives (ont des énergies plus élevées)?
dalgard
2015-01-06 19:12:54 UTC
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Quelque chose m'a toujours semblé contre-intuitif: lorsqu'ils lisent des expériences à haute énergie comme le LHC, ils sont toujours à la recherche de choses à vraiment petite échelle avec MASSIVE fortes> énergies.

Je suppose que cette citation l'illustre ( Wikipédia: Gravitons):

Tentatives d'étendre le modèle standard ou un autre champ quantique les théories en ajoutant des gravitons se heurtent à de sérieuses difficultés théoriques à haute énergie ...

Quelque chose de vraiment petit en taille ne devrait-il pas être vraiment pauvre en énergie?

boson par exemple. Je ne peux tout simplement pas le comprendre. Si cette particule médiatise une interaction fondamentale qui n'est pas très forte, comment se fait-il qu'elle ne soit pas beaucoup plus facile à voir? Ne nagerions-nous pas dans une soupe d'entre eux?

Enfin, avec les gravitons ( Wikipedia: Gravitons encore):

Par exemple, un détecteur avec la masse de Jupiter et 100% d'efficacité, placé en orbite proche autour d'une étoile à neutrons, ne devrait observer qu'un graviton tous les 10 ans, même dans les conditions les plus favorables.

Mais, je veux dire, la gravité n'existe-t-elle pas partout?

Je me heurte à ce paradoxe apparent en ce qui concerne toutes sortes de particules, en lisant sur la physique. Je suis sûr que c'est juste un point fondamental que je ne comprends pas.

Quatre réponses:
Constandinos Damalas
2015-01-06 19:36:53 UTC
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En physique des hautes énergies, l'échelle d'énergie est très importante. Comme vous l'avez dit, la matière est sondée à des distances de plus en plus petites, et cela nécessite plus d'énergie. Pourquoi?

Eh bien, en unités naturelles ($ c = \ hbar = 1 $), nous avons des quantités qui se mélangent les unes aux autres, c'est-à-dire qu'il y a très peu de différence entre elles (principalement juste une constante de proportionnalité) En particulier:

$$ [Velocity] = number $$ $$ [Energy] = [Mass] = [Momentum] $$ and $$ [Mass] = [Length] ^ {- 1} $ $

De cela, il s'ensuit que $ [Energy] $ est en fait juste inverse $ [Length] $ donc plus les distances sondées sont petites, plus les échelles d'énergie sont élevées.

Si celles-ci ci-dessus les relations semblent étranges, pensez-y comme ça. La vitesse la plus élevée possible est la vitesse de la lumière $ c $ et nous l'avons déjà réglée à un par notre choix d'unités naturelles. Cela signifie que toute autre vitesse sera comprise entre $ 0 \ leq v \ leq 1 $ donc c'est un scalaire.

Aussi, de $ E ^ 2 = (pc) ^ 2 + (mc ^ 2) ^ 2 $ il s'ensuit que $ E ^ 2 = p ^ 2 + m ^ 2 $. Le dernier, qui est au cœur de votre question, découle du fait que $ \ hbar / (mc) $ a des unités de longueur et en unités naturelles, il devient $ m ^ {- 1} $.

Pour finir, votre dernier point sur la gravité découle du fait que les gravitons interagissent très faiblement aux échelles d'énergie que nous sondons car la gravité ne devient pertinente qu'à des distances extrêmement petites de l'ordre de la longueur de Planck,

$$ \ ell _ {{\ text {P}}} = {\ sqrt {\ frac {\ hbar G} {c ^ {3}}}} \ approx 1.616 \; 199 (97) \ times 10 ^ {{- 35}} {\ mbox {m}} $$

Cela équivaut à des énergies énormes auxquelles nous n'avons pas accès actuellement. Tout cela fait ci-dessus s'appelle analyse dimensionnelle.

Edit: Pour adresser la partie boson de Higgs de la réponse:

Ne considérez pas le boson de Higgs comme une interaction fondamentale car ce n'est pas le cas. La raison pour laquelle nous avons besoin d'énergies élevées pour produire le Higgs est pour une raison différente. Comme d'autres l'ont souligné, le Higgs est une excitation du champ de Higgs. Le boson lui-même est très massif. Rappelez-vous masse = énergie. Pour produire un boson massif, vous devez fournir au moins assez d’énergie pour produire sa masse. Ce type d'énergie n'est pas disponible dans notre vie quotidienne. Seul le LHC a assez de puissance pour produire des échelles énergétiques aussi élevées. Mais cela n'affecte pas les autres particules interagissant avec le champ de Higgs pour gagner de la masse.

Edit: Ajout d'une petite discussion sur la gravité pour répondre à la question du PO dans les commentaires:

Pour une particule subatomique, les effets gravitationnels sont extrêmement faibles en raison de leurs petites masses. Pour que la gravité devienne pertinente pour les particules individuelles, nous devons les étudier aux échelles de longueur de planck. Mais la gravité en général est pertinente dans l'univers, et c'est parce que les objets astronomiques sont très massifs et que leur masse combinée produit des champs gravitationnels qui ont des effets observables .

Je suis surpris que ma question ait été comprise si facilement - merci pour la réponse rapide et pertinente. J'ai peur, cependant, que la partie sur la gravitation viole encore une fois mon intuition: j'ai toujours lu que la gravité ne devient pertinente qu'à de grandes échelles, comme les échelles astronomiques et ne joue aucun rôle à petite échelle car c'est un *interaction très * faible?
Je comprends maintenant la gravité: en termes simples, la distance qu'une seule particule peut être déviée par la gravité est * vraiment * petite, mais mettez-les toutes ensemble et cela s'additionne.Merci!
@dalgard C'est vrai!
@dalgard La raison pour laquelle la gravité domine à grande échelle est qu'elle est toujours additive - alors que par exemple l'électromagnétisme d'un aimant n'est que la force électromagnétique résiduelle de ses particules (la plupart s'annulent), il n'y a pas d '«antigravité» pour équilibrer la gravité.Il est toujours extrêmement faible (pensez à combien il est facile pour vous de surmonter la gravité de * la planète entière * en lançant une balle, par exemple), mais sa force augmentera toujours avec l'augmentation de la masse / de l'énergie.Quand on parle de particules individuelles, la gravité perd cet avantage, bien sûr, c'est donc juste une force très faible.
Pourquoi la masse évolue-t-elle avec l'inverse de la longueur?
@Evert, Je suppose qu'une autre façon de le voir consiste à utiliser la longueur d'onde De Broglie comme guide (c'est vraiment la même chose que ci-dessus).Il est donné par $ \ lambda = {\ frac {h} {p}} $, donc plus l'impulsion (énergie) est élevée, plus l'échelle de longueur sondée est petite.
Cela a plus de sens (du moins pour moi), et cela répond instantanément à la question de savoir pourquoi vous avez besoin d'énergies plus élevées pour sonder des longueurs d'onde plus courtes / des échelles plus petites.Avec la relation «masse ~ 1 / longueur», je pense à la masse réelle (classique).
CuriousOne
2015-01-06 20:13:02 UTC
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Il faut ajouter un mot d'avertissement concernant la gravité. La gravité ne se comporte comme aucune des autres forces. Il n'est donc même pas clair que la gravité puisse être quantifiée, ce qui est bien documenté dans plus d'un demi-siècle d'échec total à produire une théorie quantique auto-cohérente de la gravité. Les indices selon lesquels la gravité n'est peut-être pas une force comme toutes les autres sont en fait assez évidents dans la thermodynamique des trous noirs, qui ressemblent beaucoup plus à des phénomènes de transition de phase classiques qu'à des états quantiques macroscopiques. Il est donc parfaitement possible que la gravité soit un vestige thermodynamique d'une autre force que nous n'avons pas encore vue.

Bon point.Je ne voulais pas supposer, je l'ai juste utilisé comme exemple.
Personne ne sait avec certitude.Il peut y avoir un QFT de gravité, après tout, ou peut-être pas ... tout est en l'air et la nature ne veut pas abandonner celui-ci facilement.
JotThisDown
2015-01-06 19:51:18 UTC
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dans le cas du boson de Higgs, des énergies très élevées sont nécessaires pour le créer car il est assez massif. Le boson de Higgs est mieux compris comme une excitation du champ de Higgs, et un bon moyen d'exciter ce champ (puisqu'il se couple à la masse) est de le "cueillir" avec une interaction impliquant d'autres particules assez massives, comme le quark top. Cependant, il est encore difficile d'exciter ce champ, et cette difficulté est en quelque sorte une mesure de la masse du boson de Higgs (l'énergie de cet état excité du champ de Higgs). Peut-être que quelqu'un avec une meilleure expérience en QFT pourra en donner une meilleure idée que moi, car je ne suis certainement pas un expert ici.

Pour d'autres particules, comme le graviton, elles peuvent être très difficiles à détecter car ils n'interagissent pas de manière facilement détectable. Les neutrinos sont un excellent exemple de particule qui se trouve partout (des millions vous traversent chaque seconde), mais n'interagit que via la force faible (en ignorant leur interaction gravitationnelle de faible masse). Il est difficile de détecter les neutrinos car ils ne passent que par les détecteurs, et nous devons travailler dur pour créer des conditions favorables à leur détection (recherchez Super-K ou Ice Cube pour une idée de ce que la détection de neutrinos implique). Les gravitons, pour autant que je sache, ne devraient interagir que gravitationnellement, ce qui rend leur détection encore plus difficile, car la gravité est une force si faible par rapport aux autres forces fondamentales. Il faudrait également être très prudent pour distinguer les événements gravitoniques des autres événements (comme les événements neutrinos). Ce n’est pas non plus une tâche facile. Il serait donc difficile de détecter les gravitons individuels en raison de la manière dont ils interagissent.

Intéressant sur le boson de Higgs.Je devrais donc me tourner vers la théorie quantique des champs pour comprendre comment cela fonctionne?
Mais si le boson médiatise une force et que la force est là tout le temps, la particule - ou plutôt, l'excitation - ne serait-elle pas là tout le temps aussi, pour que quiconque puisse la voir?
Vous devriez vous tourner vers QFT afin de comprendre le champ de Higgs, puis comprendre le boson de Higgs comme une excitation de ce champ.Notez que le boson de Higgs ne transmet aucune force.
Les gravitons, d'autre part, sont théorisés pour médier la force gravitationnelle.Deux particules interagiraient gravitationnellement en échangeant des gravitons virtuels de la même manière que deux électrons interagiraient électromagnétiquement en échangeant des photons virtuels.Ces gravitons virtuels ne peuvent pas être détectés (même en théorie) pour la même raison que les photons virtuels ne peuvent pas être détectés.Ainsi, ce n'est pas parce qu'il y a de la gravité autour de nous que les gravitons virtuels qui la médiatisent peuvent être facilement détectés.
Si des gravitons (non virtuels) sont générés par un processus physique, ils pourraient en principe être détectés, mais cela serait impossible grâce au fait qu'ils n'interagissent que via la force gravitationnelle.Cela s'apparente encore au fait que l'on peut détecter des photons générés par des processus physiques (un électron changeant de niveau d'énergie par exemple), même si dans le cas de ces photons, la détection est beaucoup plus facile car ils interagissent électromagnétiquement.
Hare Krishna
2015-01-06 19:50:54 UTC
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par le principe d'incertitude, si l'incertitude de position est très faible pour sonder des distances plus petites, alors l'incertitude de moment est très grande donc en énergie. et l'énergie est inversée en longueur en unités naturelles. p>

la force des forces fondamentales vient de leurs constantes de couplage. Si l'interaction est à longue portée comme l'électromagnétisme, alors la particule d'échange est un photon qui est très léger. de même pour les forces faibles, les particules d'échange bosons W-Z sont plus massives. il est à nouveau donné par le principe d'incertitude.

oui nous nageons dans le champ de higgs, c'est le champ de fond qui est partout dans l'univers mais la masse de bososn de higgs est très élevée (125,6 gev), donc cela demande une très grande énergie pour les créer en laboratoire.

oui, la gravité est partout mais la détection sans ambiguïté des gravitons individuels, bien qu'elle ne soit interdite par aucune loi fondamentale, est impossible avec un détecteur physiquement raisonnable. La raison en est la section transversale extrêmement faible de l'interaction des gravitons avec la matière, elle est très faible.



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