¿Las partículas reales comienzan como partículas virtuales?

La idea de que una partícula virtual no tiene suficiente energía para volverse real es profundamente errónea. Es imponer demasiada realidad en una partícula virtual.

Considere el fotón virtual en dispersión inelástica profunda (DIS):

Tiene mucha energía. En SLAC puede ser un haz de 40 GeV dispersándose en el famoso espectrómetro de 8 GeV. Eso es 32 GeV de energía pasando de electrón a protón. ¿Cuál es el impulso? Bueno, es más. Para cualquier haz real/electrón disperso:

Por supuesto, hay un marco en el que la energía es 0 y el momento cuadrático es negativo... esa es la naturaleza de$t$-dispersión de canales.

Qué pasa$s$-aniquilación de canales? También en la fábrica Z de SLAC, colisionaron electrones y positrones de 40 GeV:

Ahora que el fotón virtual tiene$\nu=80\,$GeV y momento cero en el laboratorio. No puede ser real. Tiene la energía, pero es estacionario, y la luz necesita ir a la$c$.

¿Cuál es la energía de un electrón en un bucle de polarización de vacío?

Es cualquier cosa que quieras que sea. La evaluación de eso en un diagrama de dispersión, o el estado fundamental de un átomo de hidrógeno, requiere la integración de todas las energías positivas y negativas (a pesar de la renormalización).

Sé que la idea proviene de la teoría cuántica de campo popularizada donde la partícula virtual siempre se introduce con la onda de la mano en el principio de incertidumbre de Heisenberg .... prestando, haciendo estallar, etc.

Esto hace más mal que bien. Contradice, o al menos oscurece, muchos conceptos cuánticos más importantes, tales como: los estados propios son estados estacionarios, no tienen observables que varían en el tiempo. Además: el vacío es invariante de impulso de Lorentz. (No me empieces con la analogía del Higgs como melaza). Es difícil imaginar un mar burbujeante de partículas que sea invariable en el tiempo e invariable en el impulso.

Entonces, cuando un estado, por ejemplo, un electrón en un haz y un protón en un objetivo de hidrógeno líquido, pasan a un estado final: un electrón en el espectrómetro de 8 GeV y un protón rociado alrededor de la estación final A (ver el primer diagrama), el EM y el quark Los campos de gluones toman todas las configuraciones posibles (coherentemente, y algunas no, por ejemplo, correcciones radiativas externas), y una solución analítica es intratable.

El problema se resuelve mediante la teoría de la perturbación en la que la configuración/evolución del campo se describe mediante diagramas con partículas virtuales con una complejidad cada vez mayor. Eso es.

Sin embargo, pueden ser muy instructivos. El fotón virtual DIS tiene una polarización longitudinal y transversal definida por$k^{\mu}$y$k'^{\mu}$eso afecta la forma en que se dispersa del objetivo. La cinemática de la$\gamma^*$puede decirle cuándo se está dispersando por cargas o por momentos magnéticos.

Si el haz o el objetivo está polarizado, el fotón virtual tiene una polarización circular que se comporta como se espera con respecto a la dispersión de los estados inicial y final del espín. (También puede interferir con$Z^0$-intercambio como si estuviéramos hablando de dos caminos en una mesa láser).

Las partículas virtuales son muy útiles en ese sentido.

Hay un hecho que se parece remotamente a la broma de "no hay suficiente energía": como

(dispersión elástica hacia adelante):

que no es interacción. En el límite, las partículas no interactúan, el fotón de intercambio se acerca más a ser "en la cáscara" o real.

La teoría cuántica de campos (QFT) se desarrolló como un modelo teórico cuando los experimentos en el micromundo cuántico se complicaron y no se pudieron modelar con un potencial simple y una función de onda correspondiente. Se basa en los postulados de la mecánica cuántica, es decir, utiliza las funciones de onda de onda plana (libre de potenciales) de las ecuaciones correspondientes a las partículas (Dirac, KleinGordon, Maxwell) como base sobre la que se pueden modelar muchos estados de partículas. Con el uso de diagramas de Feynman para los cálculos, ha tenido mucho éxito en el modelado de datos y la predicción de datos.

Las partículas virtuales son un artefacto directo de los diagramas de Feynman, vea este caso simple :

Lo que es real, es decir, los cuatro momentos medibles en el laboratorio, son las partículas entrantes y las partículas salientes. La línea de conexión se llama "fotón virtual" porque lleva los números cuánticos de un fotón, para que haya conservación de los números cuánticos, PERO los cuatro vectores asignados a la línea no están en la capa de masa .

Las líneas virtuales en diagramas complicados llevan los números cuánticos pero están fuera de la capa de masa. La masa varía entre los límites de las integrales de Feynman utilizadas para calcular el proceso. Las partículas virtuales son marcadores de posición mnemónicos para los números cuánticos que se vuelven muy complicados en muchos diagramas de partículas salientes.

Para su pregunta, es importante comprender la función del propagador conectada con cada línea virtual. Si ves los ejemplos, tiene la masa de la partícula del nombre asignado como polo en la función que representa el diagrama de Feynman. Las partículas reales darán una singularidad para esta función.

¿Toda partícula real "comienza" como una partícula virtual? Porque técnicamente tenía que conseguir que esa energía se volviera real, ¿no?

En principio teórico, todo el universo podría describirse mediante una función de onda cuántica, todas sus partículas descritas como virtuales. La realidad proviene del ancho de cuán lejos del polo de masa de la partícula están los cuatro vectores que la describen. Eso es lo que distingue a las partículas reales de las virtuales. Los protones entrantes en el LHC son reales porque su masa se fija dentro de errores experimentales diminutos e inconmensurables, y debido a esto vivimos en el mundo de la mecánica clásica. Lo virtual por construcción del diagrama de Feynman que describe la interacción, no puede llamarse real.

Mire este diagrama para la dispersión de Compton:

Aquí la partícula virtual es el electrón. Hay un electrón saliente, que está en la capa de masa, la energía se obtiene de la energía fotónica entrante.

Es engañoso pensar solo en términos de QFT, en mi opinión, uno debería mirar lo que está modelando el modelo.

el espacio está compuesto de varios campos cuánticos y esas partículas son solo excitaciones de esos campos.

Una partícula real libre no puede ser modelada por una excitación de un campo cuántico, porque la probabilidad de encontrarla estaría en todo el espacio (onda plana). Uno necesita usar la solución wavepacket para hacerlo. (Afortunadamente, los diagramas de Feynman no lo necesitan)