Intercambio de partículas

La versión moderna de la mecánica cuántica, que supera algunos de los problemas más formales de la versión relativista de Dirac, es conocida como la Teoría Cuántica de Campos. Esta teoría incorpora un nuevo concepto para comprender las interacciones fundamentales. En la física clásica, y aun en la versión no relativista de la mecánica cuántica, las interacciones son pensadas como instantáneas. Sin embargo, la interacción instantánea está claramente prohibida por la teoría de la relatividad, ya que ningún tipo de información puede trasmitirse a una velocidad mayor a la de la luz. Para resolver este conflicto, en el marco de la teoría de campos se comprende la interacción a través del intercambio de un nuevo conjunto de partículas que actúan como mediadoras.

Si bien no es correcto buscar una imagen clásica del proceso, puede ser útil una similitud con el caso de dos personas paradas sobre una superficie sin rozamiento que se intercambian una pelota. La interacción que uno realiza sobre el otro (provocando el alejamiento de ambos) está mediada por la pelota y se “trasmite” con la velocidad de esta.

Por ejemplo, la interacción entre un par de partículas cargadas se entiende debida al intercambio del cuanto del electromagnetismo, el fotón. Cuando dos electrones se repelen, debido a poseer cargas eléctricas del mismo signo, podemos imaginar que este cambio en el impulso de ambas partículas es promovido por el intercambio de un fotón virtual, como se muestra en la figura. Esta no pretende mostrar de ninguna manera un proceso físico real, donde las líneas representan las trayectorias de cada electrón, ya que la mecánica cuántica ni siquiera nos permite determinar trayectorias precisas, pero es una representación útil, en particular para realizar cálculos sobre las probabilidades de que tal suceso ocurra. La versión moderna de estos diagramas fue introducida por Feynman, y por ello la representación gráfica lleva su nombre.

Para cada interacción existen uno o varios mediadores, todos bosones de spin 1: el fotón en el caso electromagnético, los gluones en el caso de las interacciones fuertes y los bosones W y Z para la débil. La masa del fotón y de los gluones es nula, lo cual explica el alcance infinito de la interacción electromagnética y (en principio también) la fuerte. Los bosones W y Z tienen masas del orden de unas cien veces la del protón, y por lo tanto la interacción débil es de muy corto alcance con intensidad mucho menor que las otras dos.

Si bien aún no ha sido observado, comprendemos que la interacción gravitatoria también está mediada por una partícula de spin 2, ya bautizada como gravitón.

Propiedades de las partículas mediadoras