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Partícula relativista

En física de partículas , una partícula relativista es una partícula elemental con energía cinética mayor o igual a su energía de masa en reposo dada por la relación de Einstein, o específicamente, cuya velocidad es comparable a la velocidad de la luz . [1]

Esto se logra mediante fotones en la medida en que los efectos descritos por la relatividad especial son capaces de describir los de dichas partículas. Existen varios enfoques como medio para describir el movimiento de partículas relativistas individuales y múltiples, siendo un ejemplo destacado las postulaciones a través de la ecuación de Dirac del movimiento de partículas individuales. [2]

Dado que la relación energía-momento de una partícula se puede escribir como: [3]

donde es la energía, es el momento y es la masa en reposo, cuando la masa en reposo tiende a ser cero, por ejemplo para un fotón, o el momento tiende a ser grande, por ejemplo para un protón de gran velocidad, esta relación colapsará en una dispersión lineal, es decir

Esto es diferente de la relación energía-momento parabólica para partículas clásicas. Por lo tanto, en la práctica, la linealidad o la no parabolicidad de la relación energía-momento se considera una característica clave para las partículas relativistas. Estos dos tipos de partículas relativistas se caracterizan por ser sin masa y masivas, respectivamente.

En experimentos, las partículas masivas son relativistas cuando su energía cinética es comparable o mayor que la energía correspondiente a su masa en reposo. En otras palabras, una partícula masiva es relativista cuando su masa-energía total es al menos el doble de su masa en reposo. Esta condición implica que la velocidad de la partícula es cercana a la velocidad de la luz. De acuerdo con la fórmula del factor de Lorentz , esto requiere que la partícula se mueva a aproximadamente el 85% de la velocidad de la luz. Tales partículas relativistas se generan en aceleradores de partículas , [a] así como también ocurren naturalmente en la radiación cósmica . [b] En astrofísica , los chorros de plasma relativista son producidos por los centros de galaxias activas y cuásares . [4]

Una partícula relativista cargada que cruza la interfaz de dos medios con constantes dieléctricas diferentes emite radiación de transición . Esto se aprovecha en los detectores de radiación de transición de partículas de alta velocidad. [5]

Partículas relativistas de escritorio

Los electrones relativistas también pueden existir en algunos materiales en estado sólido, [6] [7] [8] [9] incluidos semimetales como el grafeno, [6] aislantes topológicos, [10] aleaciones de bismuto y antimonio, [11] y semiconductores como el dicalcogenuro de metal de transición [12] y capas de fosforeno negro. [13] Estos electrones confinados en red con efectos relativistas que se pueden describir utilizando la ecuación de Dirac también se denominan electrones relativistas de escritorio o electrones de Dirac.

Véase también

Notas

  1. ^ Por ejemplo, en el Gran Colisionador de Hadrones , que opera con una energía de colisión de 13 TeV, un protón relativista tiene una masa-energía 6.927 veces mayor que su masa en reposo y viaja al 99,999998958160351322% de la velocidad de la luz.
  2. ^ Un ejemplo de esto es la partícula Oh-My-God .

Referencias

  1. ^ Stacy, J. Gregory; Vestrand, W. Thomas (2003). "Astronomía de rayos gamma". Enciclopedia de ciencia física y tecnología (tercera edición). Academic Press. pág. 397-432. ISBN 978-0122274107.
  2. ^ Enzo, Zanchini (2010). "Masa, momento y energía cinética de una partícula relativista". Revista Europea de Física . 31 (4): 763–773. Bibcode :2010EJPh...31..763Z. doi :10.1088/0143-0807/31/4/006. S2CID  121326562.
  3. ^ D. McMahon (2008). Teoría cuántica de campos . Desmitificada. Mc Graw Hill (Estados Unidos). pp. 11, 88. ISBN 978-0-07-154382-8.
  4. ^ Gibbons, Gary William. "Mecánica relativista". Enciclopedia Británica . Consultado el 6 de junio de 2021 .
  5. ^ Yuan, Luke CL (2000). "Un nuevo detector de radiación de transición que utiliza microesferas superconductoras para medir la energía de partículas cargadas de alta energía relativistas". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física Sección A: Aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . 441 (3): 479–482. Bibcode :2000NIMPA.441..479Y. doi :10.1016/S0168-9002(99)00979-1.
  6. ^ ab Novoselov, KS; Geim, AK (2007). "El auge del grafeno". Nature Materials . 6 (3): 183–191. Código Bibliográfico :2007NatMa...6..183G. doi :10.1038/nmat1849. PMID  17330084. S2CID  14647602.
  7. ^ Hasan, MZ; Kane, CL (2010). "Aisladores topológicos". Rev. Mod. Phys . 82 (4): 3045. arXiv : 1002.3895 . doi :10.1103/revmodphys.82.3045. S2CID  260682103.
  8. ^ "Superconductores: los conos de Dirac vienen en pares". Instituto Avanzado de Investigación de Materiales. wpi-aimr.tohoku.ac.jp . Aspectos destacados de la investigación. Universidad de Tohoku. 29 de agosto de 2011. Consultado el 2 de marzo de 2018 .[ enlace muerto permanente ]
  9. ^ Necesidades básicas de investigación en microelectrónica. Departamento de Energía de Estados Unidos, Oficina de Ciencias, 23-25 ​​de octubre de 2018.
  10. ^ Hsieh, David (2008). "Un aislante de Dirac topológico en una fase Hall de espín cuántico". Nature . 452 (7190): 970–974. arXiv : 0902.1356 . Código Bibliográfico :2008Natur.452..970H. doi :10.1038/nature06843. PMID  18432240. S2CID  4402113.
  11. ^ Los conos de Dirac podrían existir en películas de bismuto y antimonio. Physics World, Institute of Physics, 17 de abril de 2012.
  12. ^ Diaz, Horacio Coy (2015). "Observación directa de la hibridación entre capas y portadores relativistas de Dirac en heteroestructuras de van der Waals de grafeno/MoS2". Nano Letters . 15 (2): 1135–1140. Bibcode :2015NanoL..15.1135C. doi :10.1021/nl504167y. PMID  25629211.
  13. ^ Francesca, Telesio (2022). "Evidencia de acoplamiento Josephson en una unión Josephson planar de fósforo negro de pocas capas". ACS Nano . 16 (3): 3538–3545. doi :10.1021/acsnano.1c09315. PMC 8945388 . PMID  35099941.