En la teoría cuántica de campos , un portador de fuerza (también conocido como partícula mensajera , partícula intermedia o partícula de intercambio ) [1] es un tipo de partícula que da lugar a fuerzas entre otras partículas. Estas partículas sirven como cuantos de un tipo particular de campo físico . [2] [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:
Además, las partículas compuestas como los mesones , así como las cuasipartículas , pueden describirse como excitaciones de un campo efectivo .
La gravedad no forma parte del Modelo Estándar, pero se cree que puede haber partículas llamadas gravitones que son las excitaciones de las ondas gravitacionales . El estado de esta partícula es aún provisional, porque la teoría es incompleta y porque las interacciones de gravitones individuales pueden ser demasiado débiles para ser detectadas. [5]
Cuando una partícula se dispersa al alejarse de otra, alterando su trayectoria, hay dos formas de pensar en el proceso. En la imagen del campo, imaginamos que el campo generado por una partícula provocó una fuerza sobre la otra. Alternativamente, podemos imaginar una partícula que emite una partícula virtual que es absorbida por la otra. La partícula virtual transfiere momento de una partícula a la otra. Este punto de vista de la partícula es especialmente útil cuando hay una gran cantidad de correcciones cuánticas complicadas en el cálculo, ya que estas correcciones se pueden visualizar como diagramas de Feynman que contienen partículas virtuales adicionales.
Otro ejemplo que involucra partículas virtuales es la desintegración beta , donde un bosón W virtual es emitido por un nucleón y luego se desintegra en e ± y (anti)neutrino.
La descripción de 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 QCD de baja energía y la descripción de estados ligados , la teoría de perturbaciones fracasa.
El concepto de partículas mensajeras se remonta al siglo XVIII, cuando el físico francés Charles Coulomb demostró que la fuerza electrostática entre objetos cargados eléctricamente 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 había descrito un rayo de luz como el "más rápido de todos los mensajeros". 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 St. Louis , Arthur Holly Compton demostró un efecto que hoy se conoce como dispersión Compton . Este efecto solo se puede explicar si la luz puede comportarse como una corriente de partículas, y convenció a la comunidad de físicos de la existencia de la partícula de luz de Einstein. Por último, en 1926, un año antes de que se publicara la teoría de la mecánica cuántica, Gilbert N. Lewis introdujo el término " fotón ", que pronto 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 hasta llegar a los portadores de fuerza masivos (por ejemplo, para el potencial de Yukawa ).
