¿Pueden las partículas virtuales volverse reales?

A menudo nos encontramos con la necesidad de explicar cómo funciona la física fundamental al público en general que no está familiarizado con los requisitos previos físicos y matemáticos. Por lo general, terminamos con analogías : una herramienta poderosa que puede, sin explicación, dar a la audiencia una idea aproximada de cómo funciona la cosa. Pero las analogías solo pueden tomarse en serio hasta ahora: los intentos de usarlas para explicar fenómenos complicados generalmente conducen a aparentes paradojas, malentendidos y confusión.

Lo mismo ha estado sucediendo una y otra vez en este foro con partículas elementales virtuales. Mira, cuando los físicos hablan de partículas virtuales, se refieren a un tipo específico de fluctuación en el campo cuántico, el mismo campo que da origen a las partículas elementales ordinarias (reales). Esa fluctuación tiene un significado matemático preciso como parte de la serie asintótica, que describe un objeto fundamental en la teoría: la matriz de dispersión que describe las interacciones entre partículas elementales reales. Es por eso que generalmente se emplea una analogía: se dice que esas fluctuaciones son "partículas virtuales" que "median" las interacciones.

Esta analogía aborda los problemas correctos y le dice mucho a una audiencia no preparada sobre los fenómenos subyacentes. Pero es sólo una analogía, y tiene sus limitaciones. La mayoría de las preguntas de los novatos sobre partículas virtuales pueden y deben abordarse en el marco matemático completo que interactúa con la teoría cuántica de campos. Cualquier tipo de explicación que involucre partículas virtuales es solo un gesto de mano.

Las partículas virtuales no tienen dinámica. Este último siempre está ligado a un estado que, a diferencia de las partículas virtuales, respeta necesariamente la causalidad. Por lo tanto, no pueden "convertirse" en nada. Consulte https://www.physicsforums.com/insights/misconceptions-virtual-particles/

Por lo tanto, hablar de partículas virtuales que hacen algo es siempre solo una ilustración de alguna fórmula subyacente, sin ninguna intención de precisión física.

Se hizo un nuevo experimento con iones, el interior de un átomo sin electrones, se aceleraron 2 haces de estos y un acelerador de partículas, las propias islas portaban fotones virtuales. Cuando los frijoles se acercaron, los fotones mismos reaccionaron formando pares de electrones y positrones, como lo harían los haces de protones reales. Los pares protón-antiprotón actuaron como pares reales, aniquilándose entre sí creando fotones reales.

Sí, las partículas virtuales pueden ser reales. Vea los detalles en mi última pregunta.

¿Qué tipo de partículas pueden ser virtuales? ¿Solo los de la tabla del Modelo Estándar?

Uno de los experimentos descritos por el equipo de Savasta logró transformar fotones virtuales en reales mediante un átomo artificial de 3 niveles. Otro experimento, en curso de implementación, genera fotones virtuales como pasos intermedios en la excitación de dos átomos artificiales con un solo fotón.

En particular, me gustaría enfatizar que no es cierto que las partículas virtuales no puedan existir en la realidad. Lo cierto es que no se pueden detectar por sus características problemáticas (masa y otras). Pero pueden aparecer en etapas intermedias de experimentos, y sus efectos pueden probarse en los datos finales.

Se realizó un experimento en el que fotones virtuales se transforman en fotones reales

R. Stassi, A. Ridolfo, O. Di Stefano, MJ Hartmann y S. Savasta, "Conversión espontánea de fotones virtuales a reales en el régimen de acoplamiento ultrafuerte", arXiv: 1210.2367v2

Aquí está la esencia del experimento:

" consideramos un emisor de tres niveles donde la transición entre los dos niveles superiores se acopla ultrafuertemente a un modo de cavidad y mostramos que la relajación espontánea del emisor de su estado intermedio a su estado fundamental está acompañada por la creación de fotones en el modo de cavidad (ver Fig. 1). . . . . El hamiltoniano de un sistema de cavidad atómica realista contiene los llamados términos de contrarrotación que permiten la creación o aniquilación simultánea de una excitación tanto en el modo de átomo como en el de cavidad. Estos términos pueden despreciarse con seguridad para pequeños tasas de acoplamiento$Ω_R$en la llamada aproximación de onda giratoria (RWA). Sin embargo cuando$Ω_R$se vuelve comparable a la frecuencia de resonancia de la cavidad del emisor o la frecuencia de resonancia del modo de la cavidad, se espera que se manifiesten los términos contrarrotantes"

El término "partícula virtual" se usó en el pasado en los diagramas de Feynman, solo para facilitar los cálculos. Tales "partículas" probablemente no existen en la naturaleza.

En el artículo que recomendé

R. Stassi, A. Ridolfo, O. Di Stefano, MJ Hartmann y S. Savasta, "Conversión espontánea de fotones virtuales a reales en el régimen de acoplamiento ultrafuerte", arXiv: 1210.2367v2,

se describe un experimento en el que aparecen, del vacío, fotones llamados por los autores "virtuales" porque no pueden ser detectados individualmente: aparecen en las etapas intermedias de los procesos descritos, y violan la conservación de la energía. Por lo tanto, estas etapas solo pueden adivinarse, pero no observarse.

El término "virtual" utilizado para estos fotones causa confusión con las partículas virtuales del diagrama de Feynman. Pero estos son dos tipos diferentes de partículas virtuales. A diferencia de las partículas virtuales de Feynman, los fotones virtuales de Savasta no difieren, por sus propiedades, de los fotones reales. Como se dijo anteriormente, lo que es "virtual" con los fotones de Savasta es que su intervención en el proceso viola la conservación de la energía. Por eso no aparecen en la etapa inicial y final del proceso, que son etapas comprobables, sino en etapas intermedias, que solo se adivinan, no se detectan.