Si se detecta la emisión de un fotón, ¿es real o virtual?

Entiendo que uno puede medir la absorción de un solo fotón usando un tubo fotomultiplicador o CCD.

¿Se puede medir la emisión de un solo fotón al monitorear la corriente a través de un LED o el retroceso de un ion emisor?

El fotón es una partícula. Tendrá interacciones de partículas, es decir, dispersión de electrones y/o el derrame sobre campos eléctricos y magnéticos de sólidos (por ejemplo, dispersión Compton ), pero la probabilidad de ionización es muy baja, en contraste con una partícula cargada. Una vez que se dispersa inelásticamente, su frecuencia y dirección cambiarán y no se puede diseñar una configuración que se llame "monitoreo" porque un fotón no puede acumular corriente sin cambiar drásticamente lo que uno está tratando de detectar.

En la fotografía de la cámara de burbujas de arriba vemos lo siguiente:

Un rayo gamma (fotón de alta energía) proveniente de la parte superior e invisible (debido a la baja tasa de interacción), solo sabemos que está allí después de que interactúa por dispersión con un electrón de un átomo del líquido de la cámara de burbujas.

En el primer vértice vemos un par de positrones de electrones y el electrón de retroceso en el que se dispersó la gamma. El segundo vértice es otro par electrón-positrón, más energético, por la gamma dispersa, esta vez en el campo de un núcleo, (porque no hay una tercera partícula visible, el núcleo es mucho más pesado que un electrón y mucha de la energía gamma se ha perdido por la segunda dispersión, ha retrocedido menos de unas pocas micras de distancia).

¿Es posible detectar el mismo fotón emitido y luego absorbido?

Como se ve en la foto de arriba, el proceso de detección involucra interacciones y las interacciones cambian la configuración. En el caso del fotón energético anterior, podemos decir que es el mismo fotón que crea ambos pares porque la configuración de las cámaras de burbujas está construida de tal manera que llegan pocos gammas para cada imagen, tomada en coincidencia con la producción del haz. Las energías son tales que se puede hacer un "mapeo" macroscópico, pero no se puede identificar la interacción que produjo la gamma en el haz con la gamma final en la cámara. Solo estadísticamente.

El problema sería similar para baja energía y peor que ver las dos dispersiones aquí. Absorción significa que ha tenido lugar una interacción a nivel atómico y el fotón elevó un electrón a un nivel de energía superior. Esto es lo que se ve en los CCds y las fotos, la absorción de los fotones, pero conectarse con el átomo fuente sería muy difícil y no valdría la pena ya que es fácil hacerlo estadísticamente.

Supongo que uno puede confirmar que es el mismo fotón si el intervalo de espacio-tiempo entre los dos eventos es cero.

La velocidad de la luz es un número bien medido, pero no con fotones individuales. Es una medida estadística.

Editar: la pregunta se expandió mientras respondía

Después de que se ha detectado la emisión del fotón, pero antes de que se haya registrado su absorción, ¿es real o virtual?

Vea la explicación de virtual en esta respuesta . El fotón es real tanto como lo son los electrones en la foto de arriba. Simplemente tiene una probabilidad mucho menor de interacciones ionizantes y su rastro no se hace visible como lo son los rastros de los electrones.

Supongo que un cálculo de QED procedería suponiendo que el fotón es virtual, pero si se ha medido su emisión, ¿seguramente debería tratarse como real?

Un cálculo QED pertenece al marco mecánico cuántico, de nanómetros y menos. Se escribiría un diagrama de Feynman para la imagen de arriba teniendo como líneas externas la gamma entrante, una gamma virtual del electrón que interactúa con ella y genera un par real e+e-. La segunda interacción tendría un núcleo emitiendo una gamma virtual que se convierte en un par e+e-.

Z es el núcleo en el diagrama más simple anterior (tiene que haber una tercera partícula involucrada debido a la conservación del momento). La gamma de Z es virtual, al igual que el electrón intermedio. Los e+e- son reales. Para describir la interacción en la foto de la cámara de burbujas, es decir, una dispersión de gamma Compton y la creación de un par e+e, se necesitarán más intercambios virtuales, pero no cambiaría la realidad de la gamma final entrante y saliente.

¿Hay una paradoja aquí?

No, porque escribir un solo diagrama de Feynman para un sistema macroscópico tiene poco significado. Lo que es virtual y lo que es real es una cuestión de marco y para describir sistemas macroscópicos cuánticamente mecánicos uno ingresa a una gran complejidad y tiene que usar el formalismo de matriz de densidad , no las interacciones simples representadas por diagramas de Feynman simples y los intercambios virtuales allí.