Esa es una gran pregunta!
Las masas de partículas se miden en una gran variedad de formas. Si son lo suficientemente grandes y pesados, puedes ponerlos en una balanza. Las partículas subatómicas tienen que medirse con mucho más cuidado que eso.
Típicamente, las masas de partículas subatómicas están determinadas por la relación entre su energía y su momento. Si una partícula no se mueve, su energía total es E = mc ^ 2. Si se mueve, entonces E ^ 2 = (mc ^ 2) ^ 2 + (pc) ^ 2, donde p es el momento yc es la velocidad de la luz.
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Una forma de medir la masa, por ejemplo, de un protón, es colocarla en un espectrómetro de masas. Acelerarlo en un campo eléctrico conocido le da una cantidad de energía cinética proporcional a su carga. Hacer que el protón se mueva en una trayectoria circular en un campo magnético uniforme y bien calibrado permite medir el momento con bastante precisión.
Otra forma de medir la masa de protones es obtener una muestra muy pura de moléculas de hidrógeno con un número conocido de protones, pesarla y restar las masas de los electrones y también las energías de unión de los electrones en sus órbitas moleculares.
Algunas partículas subatómicas son pesadas e inestables. Puede medir sus masas calculando la energía total y el impulso de sus productos de desintegración, si conoce las masas de sus productos de desintegración y puede medir su impulso (una situación típica en un experimento de alta energía; generalmente tenemos un gran imán y un detector en su interior que puede medir las rutas de las partículas. La curvatura de las rutas indica cuál es el momento).
Otras partículas son muy ligeras y no se descomponen. El fotón es uno de ellos. Los modelos de electricidad y magnetismo que incluyen una pequeña masa para el fotón predicen que la interacción electromagnética debe tener un rango finito, como la fuerza nuclear débil, que está mediada por partículas que son como el fotón, pero son muy masivas. No se ha observado evidencia de que la fuerza electromagnética tenga alguna limitación de rango, y se han establecido límites superiores en la masa de fotones que son extremadamente estrictos.
Solíamos pensar que los neutrinos no tenían masa. Los más escépticos entre nosotros señalamos que no había pruebas, experimentales o teóricas, de que los neutrinos no pudieran tener una masa, por lo que se construyó una serie de experimentos en Japón, Canadá, Estados Unidos y Suiza para ver si los neutrinos tenían masa. Esto es complicado porque no se descomponen e interactúan muy raramente con la materia. Resulta que hay tres tipos de neutrinos que conocemos, uno correspondiente a cada tipo de leptón: el neutrino electrónico, el neutrino muón y el neutrino tau. Resulta que si (al menos algunas de) sus masas no son cero, y algunos parámetros llamados ángulos de mezcla no son cero, entonces los neutrinos pueden cambiar espontáneamente de un tipo a otro, y viceversa. Llamamos a esto “oscilación de sabor”. La tasa de oscilación del sabor, que puede medirse experimentalmente, es proporcional a la diferencia en los cuadrados de las masas de los neutrinos que sufren oscilación. Todavía no tenemos medidas de las masas de los neutrinos mismos, pero sabemos algo sobre las diferencias en los cuadrados de sus masas.
Técnicas de oscilación elegantes similares pueden determinar con gran precisión la diferencia de masa entre partículas similares, por ejemplo, en el par de kaones neutros.
