¿Las partículas reales comienzan como partículas virtuales?

Question

Sé que la QFT afirma que el espacio está compuesto por varios campos cuánticos y que las partículas son sólo excitaciones de esos campos.

Por lo que yo sé: las partículas virtuales son excitaciones que existen sólo durante un pequeño momento, porque no tienen suficiente energía para convertirse en partículas reales. Sin embargo, por otro lado, si una excitación absorbe suficiente energía para mantenerse, entonces eso es una partícula real. Lo que quiero entender es, según esta teoría, ¿toda partícula real "comienza" como una partícula virtual? Porque técnicamente tuvo que Obtenga esa energía para convertirse en real ¿cierto? ¿O he entendido algo mal? Gracias.

También he leído los otros posts relativos a los VP y he obtenido información útil, pero creo que las respuestas a esta pregunta pueden ayudarme mejor. Gracias.

Answer 1

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

Consideremos el fotón virtual en la dispersión inelástica profunda (DIS):

Tiene mucha energía. En el SLAC será un haz de 40 GeV que se dispersará en el famoso espectrómetro de 8 GeV. Son 32 GeV de energía que pasan del electrón al protón. ¿Cuál es el momento? Bueno, es más. Para cualquier haz/electrón real dispersado:

$$q^2=(k'-k)^2 < 0 $$

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

¿Qué pasa con $s$ -¿Aniquilación de canales? También en la fábrica Z del SLAC, se hicieron colisionar positrones y electrones de 40 GeV:

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

Cuál es la energía de un electrón en un bucle de polarización en el vacío:

Es lo que tú quieras que sea. La evaluación de esto en un diagrama de dispersión, o en el estado básico de un átomo de hidrógeno, requiere integrar sobre todas las energías positivas y negativas (a pesar de la renormalización).

Sé que la idea proviene de la popularizada teoría cuántica de campos, en la que la partícula virtual se introduce siempre con un saludo al principio de incertidumbre de Heisenberg: ...., el préstamo, el estallido, etc.

Esto hace más daño que bien. Contradice, o al menos oscurece, muchos conceptos cuánticos más importantes, como por ejemplo: los estados propios son estados estacionarios, no tienen observables que varíen en el tiempo. También: el vacío es invariante del impulso de Lorentz. (No me hagas empezar con la analogía del Higgs-como-molestia). Es difícil imaginar un mar burbujeante de partículas que sea invariante en el tiempo y en el impulso.

Así pues, cuando un estado, por ejemplo, un electrón en un haz y un protón en un blanco de hidrógeno líquido pasan a un estado final: un electrón en el espectrómetro de 8 GeV y un protón pulverizado en torno a la estación final A (véase el primer diagrama), los campos EM y de quarks/gluones adoptan todas las configuraciones posibles (de forma coherente, y algunas no, por ejemplo, las correcciones radiativas externas), y una solución analítica es intratable.

El problema se resuelve mediante la teoría de perturbaciones, en la que la configuración/evolución del campo se describe mediante diagramas con partículas virtuales de complejidad creciente. Eso es todo.

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

Si el haz o el blanco están polarizados, 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 trayectorias en una mesa láser).

Las partículas virtuales son muy útiles en este sentido.

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

$$k'^{\mu} \rightarrow k^{\mu}$$

(dispersión elástica frontal):

$$ q^2 \rightarrow m^2_{\gamma} = 0$$

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

Answer 2

La Teoría Cuántica de Campos (QFT) se desarrolló como modelo teórico cuando los experimentos en el micromundo cuántico se complicaron y no pudieron modelarse 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 planas (libres de potenciales) de las ecuaciones correspondientes a las partículas, (Dirac, KleinGordon, Maxwell) como base sobre la que se pueden modelar muchos estados de las partículas. Con el uso de diagramas de Feynman para los cálculos ha tenido mucho éxito en el modelado de los datos y en la predicción de los mismos.

Las partículas virtuales son un artefacto directo de los diagramas de Feynman, ver este sencillo caso :

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

Las líneas virtuales en los 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 soportes mnemotécnicos para los números cuánticos que se complican mucho en muchos diagramas de partículas salientes.

Para su pregunta es importante entender el función de propagación conectado con cada línea virtual. Si ves los ejemplos, tiene la masa de la partícula de nombre asignado como un 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 tuvo que obtener esa energía para convertirse en real, ¿no?

En principio, todo el universo podría ser descrito por una sola función de onda cuántica, todas sus partículas descritas como virtuales. La realidad proviene de la amplitud de la distancia al polo de masa de la partícula del cuatro vector que la describe. Eso es lo que distingue a las partículas reales de las virtuales. Los protones que entran en el LHC son reales porque su masa está fijada dentro de unos errores experimentales minúsculos e inconmensurables, y por ello vivimos en el mundo de la mecánica clásica. Las virtuales, por la construcción del diagrama de Feynman que describe la interacción, no pueden llamarse reales.

Mira este diagrama para la dispersión Compton:

Aquí la partícula virtual es el electrón. Hay un electrón saliente, que está en la cáscara de la masa, la energía se gana de la energía del fotón entrante.

Es engañoso pensar sólo en términos de QFT, imo, uno debería estar mirando lo que el modelo está modelando.

el espacio está compuesto por varios campos cuánticos y que las partículas son sólo excitaciones de esos campos.

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