¿Qué son realmente las partículas virtuales?

Esta es la tabla de partículas sobre la que se fundamenta el modelo estándar de la física de partículas elementales:

Estas partículas se caracterizan de forma completa y única por su masa y números cuánticos , como espín, sabor, carga...

El modelo estándar es un modelo matemático basado en un Lagrangiano que contiene las interacciones de todas estas partículas, y se enmarca en las cuatro dimensiones de la relatividad especial. Esto significa que la masa de cada partícula, llamada masa en reposo (porque es la masa invariante que tiene la partícula en su marco de reposo) en el marco de energía-momento está dada por :

El modelo estándar Lagrangiano permite el cálculo de secciones transversales y tiempos de vida para partículas elementales y sus interacciones, utilizando diagramas de Feynman que son una representación icónica de integrales complicadas:

Solo las líneas externas son medibles y observables en este modelo, y las partículas entrantes y salientes están en la capa de masa. Las líneas internas en los diagramas llevan solo los números cuánticos de la partícula nombrada intercambiada, en este ejemplo un fotón virtual. Estos "fotones" en lugar de tener una masa de cero, como lo hacen cuando se miden/observan, tienen una masa variable impuesta por la integral bajo la cual tienen "existencia". La función de la línea virtual es mantener las reglas de conservación del número cuántico y ayudar como mnemotécnico. No representa una "partícula" que se pueda medir, sino una función necesaria para el cálculo de secciones transversales y tiempos de vida de acuerdo con los límites de integración que ingresan al problema en estudio.

PD: mi respuesta a esta otra pregunta podría ser relevante para enmarcar qué es una partícula .

No puedo mejorar lo que está arriba, pero puedo ilustrar algo de una naturaleza existencial diferente. La pregunta "¿Qué son realmente las partículas virtuales?" es contradictorio, porque no hay partículas virtuales reales. Las partículas virtuales son una manifestación de la teoría del campo cuántico perturbativo. Las líneas internas en los diagramas de Feynman son propagadores con una suma sobre el momento o la energía. Como sabemos por el cálculo elemental, una variable de integración es una variable ficticia. En muchos sentidos, lo mismo se aplica a las partículas virtuales. Las partículas virtuales son una manifestación de nuestro formalismo. En muchos sentidos son virtuales porque son una construcción mental. Son realmente artilugios que empleamos para resolver problemas.

Una partícula virtual es un modo en el campo que no obedece a la relación de dispersión para una onda que viaja libremente. Un ejemplo de tal relación entre la frecuencia angular y el vector de onda es:

En un ejemplo más simple, imagine una cuerda fija en ambos extremos que soporta ondas con velocidad$v$. Ahora imagine tirar de la cuerda hacia arriba en un punto, haciendo que sean dos líneas rectas a cada lado del tirón en lugar de una línea recta. Mientras se sostenga esa cuerda, su desviación se compone de fonones virtuales porque la descomposición de Fourier de la forma de la cuerda no obedece a las ecuaciones de movimiento de la cuerda libre (de ahí provienen las relaciones de dispersión, las ecuaciones de movimiento). Una vez que se suelta la cuerda, todos esos fonones virtuales se vuelven "reales" cuando la cuerda comienza a vibrar. En este ejemplo, la fuerza externa ejercida sobre la cuerda es como la carga de la partícula, por lo que una verdadera aniquilación de partículas contra partículas requeriría que las fuerzas que actúan en direcciones opuestas sean atraídas rápidamente por la cuerda y liberen ondas en el proceso.

Entonces, podría pensar en los fotones "reales" como ondas viajeras que obedecen las ecuaciones de Maxwell en ausencia de cargas. Los fotones virtuales son lo que necesita para describir el campo cuando hay cargas presentes.

Una partícula real o simplemente una partícula se define como que tiene una masa$m$que cumple$m^2 = E^2 -\vec{p}^2$($c=1$) por dado$E$,$\vec{p}$. Entonces hay una relación para$E$y$\vec{p}$y tales partículas están llamadas a estar en su capa de masa (gráfico$E=\pm \sqrt{m^2+\vec{p}^2}$para la concha). En cambio, una partícula virtual no cumple esta relación y no hay conexión entre$E$y$\vec{p}$a través de su masa, está llamado a salir de su caparazón de masa.

El concepto de partículas virtuales es una interpretación de estados intermedios en procesos de dispersión en la teoría cuántica de campos que no obedecen$m^2 = E^2-\vec{p}^2$. Sin embargo, hay otra interpretación que se usó en los primeros días de la teoría cuántica de campos y se usa menos hoy en día por razones de simetría. La idea es permitir la violación de la conservación de energía para estados intermedios en procesos de dispersión. Ahora, uno puede arreglar$m^2=E^2-\vec{p}^2$y restaura que todas las partículas próximas son reales.

Entonces, la pregunta sobre las partículas virtuales es del mismo tipo que la pregunta sobre cómo interpretar las medidas en la mecánica cuántica: uno tiene un concepto teórico que da los resultados correctos, pero no hay análogos para este concepto en nuestro mundo macroscópico y, por lo tanto, estamos no es capaz de entender intuitivamente lo que está pasando. Sin embargo, la gente imagina interpretaciones vívidas sobre lo que realmente está pasando más allá de nuestra vista. Lo curioso es que uno no puede probar que ninguna interpretación sea correcta o incorrecta, uno puede simplemente gustarles o disgustarles debido a favores personales.

Esta es una fuente de mucha confusión. Antes de responder qué es una partícula virtual, uno probablemente debería discutir qué es una partícula. Esto se debe a que la palabra partícula no encaja particularmente bien con la naturaleza microscópica de la materia, que son los campos cuánticos. Una partícula clásica macroscópica tiene una posición, un momento y una energía bien definidos en un momento determinado, pero el campo cuántico que describe la materia necesariamente no los tiene.

Piense en el acelerador de partículas. Hay un enorme vacío y partículas que viajan libremente hasta que interactúan muy brevemente en un punto caliente. Los estados cuánticos libres simptioticamente entrantes y salientes se propagan conservando el impulso y la energía, por ejemplo (generalmente se piensa que son soluciones de onda plana y se dice que están en una capa de masa). Tiene sentido hablar de partículas de 245 GeV, por ejemplo. Por lo tanto, en la teoría de la dispersión, estos estados entrantes y salientes se denominan partículas (y quizás de aquí viene el nombre de partículas, ya que se parecen más a las partículas clásicas cuando están libres).

Sin embargo, durante la interacción, todo es un desastre. No es posible identificar fácilmente las partículas en función de sus soluciones. Sin embargo, sabemos exactamente cómo deben propagarse estos campos y que las matemáticas se pueden formular usando diagramas de Feynman. Dos electrones, por ejemplo, pueden intercambiar un fotón. Este fotón está en el punto caliente y nunca se puede medir. Está dentro del diagrama de Feynman y eso es lo que normalmente se llama una partícula virtual.

Ahora, lo que acabo de escribir es solo una definición de partículas en el contexto de la teoría de la dispersión. Hay muchos otros en el contexto de otras teorías y se utilizan para ayudar a pensar o al menos para nombrar cosas. El problema no es que haya tantas definiciones, sino que el problema es que la partícula clásica no encaja tan bien en la mecánica cuántica.

Por ejemplo, usando estrictamente esta definición, un electrón en un átomo de hidrógeno se clasificaría como virtual ya que está constantemente intercambiando fotones virtuales con los núcleos y solo el fotón que lo mide debería ser real. Sin embargo, en la teoría del estado sólido y la química cuántica, es muy común hablar de ese electrón de hidrógeno como una partícula. También se puede hacer que el estado fundamental del hidrógeno sea el vacío y hablar de agujeros (el electrón pasó del orbital 1s) y electrones (electrón en algún otro orbital). Omití el prefijo quasi aquí ya que no se usa a menudo en la jerga normal. Es decir, la palabra electrón (o partícula para el caso) depende mucho del contexto.

Si me preguntas si las partículas virtuales son reales y me obligas a responder con una palabra, diría que sí. Aclararía que son tan reales como las partículas regulares (en la definición de dispersión) y nuestra incapacidad para caracterizarlas durante las interacciones no cambia eso. Además, cabe agregar que la realidad de cualquier cosa es siempre una discusión metafísica.