Дополнение про локализацию частиц

Хорошие вопросы становятся поводом для новых постов :)

К прошлому посту про локализацию частиц в детекторе был задан хороший вопрос:

Если рождаются сразу все типы частиц, почему они сразу после рождения не взаимодействуют друг с другом?

Этот вопрос хорошо показывает ограниченные возможности популярного словесного объяснения того, что сразу видно в формулах. Но тем не менее, я попробую ответить на словесном языке.

Начну со знаменитого кота Шредингера.
Когда говорят, что в ящике есть кот в суперпозиции «жив» и «мертв», то вовсе не имеется в виду, что там присутствуют сразу два кота, один из которых точно жив, а второй точно мертв, и которые могли бы взаимодействовать (например, мешать друг другу поместиться в ящик). Там есть только один кот в таком вот квантовом состоянии.

На математическом языке это состояние можно разложить по базису «состояний с четко определенной жизненностью» с ненулевыми проекциями на базисные состояния «жив» и «мертв». Это как вектора в пространстве, которые могут указывать не только строго вдоль координатных осей, но и как-то наискосок. Состояния «жив» и «мертв» — это ортогональные друг к другу состояния, которые не взаимодействуют, так как — условно говоря — они отвечают двум взаимоисключенным возможностям наблюдения.

Теперь вернемся снова к детектору и частицам. Рассмотрим конкретный пример. У нас есть нестабильная частица (W-бозон), которая может распасться на лептон-нейтринную пару, т.е. на электрон и его антинейтрино или на мюон и его антинейтрино (про остальные каналы распада забудем). До взаимодействия с детектором те сферические волны, которые истекают из каждого конкретного W-бозона — это одновременно и электроны, и мюоны, с некоторой амплитудой вероятности. Поэтому вопрос можно сформулировать, например, так: если вылетают и электроны, и мюоны, то будут ли они электрически отталкиваться друг от друга?

Нет, напрямую не будут, потому что они не существуют одновременно. W-бозон в нашем примере испускает лишь одну лептон-нейтринную пару, а не две разные пары одновременно.

Однако, как легко предугадать, всё гораздо хитрее. В квантовой теории поля частицы могут рождаться и исчезать. И если в распаде W-бозона родился электрон и начал расширяться в виде волны, то это еще не значит, что он гарантированно долетит до детектора. Вполне может случиться и так, что эта расходящаяся волна зацепится своих хвостом за такую убегающую же нейтринную волну. Они тогда могут превратиться в W-бозонную волну, которая снова распадется, но на этот раз уже в мюон-нейтринную пару (см. картинку, диаграммка вверху).

В этом случае наличие электрона и мюона уже не взаимоисключено. А раз так, то возможны и всякие дополнительные воздействия, например, прямое электромагнитное взаимодействие за счет обмена фотоном, которое показано на нижнем рисунке. Так что в этом смысле — да, все варианты разлетающихся частиц взаимодействуют друг с другом.

И напоследок дисклеймер: надо четко понимать, что все эти объяснения нельзя воспринимать буквально. Это всё попытки перевести квантово-механические или квантово-полевые формулы в визуальную картинку. Они неизбежно неточны, неполны и ограничены в своей объяснительной силе. Их цель — показать, что еще более простая картинка (про траектории, локализованные изначально) совсем уж неправильная, т.к. она не согласуется с формулами.

И еще технический момент. Интересные комментарии к предыдущему посту появляются сразу в трех местах: в основном блоге, в гуглбаззе и в ЖЖ-синдикате. Я отвечаю везде, но только надо помнить, что в ЖЖ-синдикате через две недели всё автоматически стирается.