Voici le tableau des particules sur lequel est fondé le modèle standard de la physique des particules élémentaires:

Ces particules sont complètement et uniquement caractérisées par leurs nombres mass et quantum, comme le spin, la saveur, la charge ...

Le modèle standard est un modèle mathématique basé sur un lagrangien qui contient les interactions de toutes ces particules, et il est encadré dans les quatre dimensions de la relativité restreinte. Cela signifie que la masse de chaque particule, appelée masse au repos (car c'est la masse invariante de la particule dans son cadre de repos) dans le cadre énergie-impulsion est donnée par:

$$ m_0 ^ 2c ^ 2 = \ left (\ frac Ec \ right) ^ 2 - || \ mathbf p || ^ 2 $$ en naturel unités où $ c = 1, $ $$ m_0 ^ 2 = E ^ 2 - || \ mathbf p || ^ 2 $$

Le modèle standard Lagrangien permet le calcul des sections transversales et des durées de vie des particules élémentaires et leurs interactions, en utilisant des diagrammes de Feynman qui sont une représentation iconique d'intégrales compliquées:

Seules les lignes externes sont mesurables et observables dans ce modèle, et les particules entrantes et sortantes sont sur la coque de masse. Les lignes internes des diagrammes ne portent que les nombres quantiques de la particule nommée échangée, dans cet exemple un photon virtuel. Ces "photons" au lieu d'avoir une masse nulle, comme ils le font lorsqu'ils sont mesurés / observés, ont une masse variable imposée par l'intégrale sous laquelle ils ont "l'existence". La fonction de la ligne virtuelle est de conserver les règles de conservation des nombres quantiques et d'aider comme mnémonique. Elle ne représente pas une "particule" mesurable, mais une fonction nécessaire au calcul des sections efficaces et des durées de vie en fonction des limites d'intégration entrant dans le problème étudié.

p.s.ma réponse à cette autre question pourrait être pertinente pour définir ce qu'est une particule .

Une particule virtuelle est un mode dans le champ qui n'obéit pas à la relation de dispersion pour une onde se déplaçant librement. Un exemple d'une telle relation entre la fréquence angulaire et le vecteur d'onde est: $$ c ^ 2 \ omega ^ 2 = \ left (\ frac {mc} {\ hbar} \ right) ^ 2 + \ mathbf {k} ^ 2, $$ et la relation équivalente entre l'énergie et l'élan. Une onde qui n'obéit pas à la relation de dispersion est également décrite comme "hors masse". Un exemple de champ composé entièrement de photons virtuels est le potentiel de Coulomb produit par une charge ponctuelle au repos - tous les photons ont une fréquence nulle (inchangée) et la densité des modes est proportionnelle à $ 1 / \ mathbf {k} ^ 2 $ . C'est: $$ \ frac {q} {4 \ pi r} = \ int - \ frac {q} {\ mathbf {k} ^ 2} \ frac {\ operatorname {e} ^ {i \ mathbf {k} \ cdot \ mathbf {r}}} {\ left [2 \ pi \ right] ^ 3} \ operatorname {d} ^ 3k. $$ Remarquez comment les photons virtuels qui produisent le potentiel de Coulomb échoue également à l'exigence sur la coque selon laquelle le champ électrique est perpendiculaire au nombre d'onde - c'est parce que l'exigence de perpendicularité provient de la loi de Gauss en l'absence de charge, et c'est un champ qui ne se produit que lorsqu'une charge est présente. / p>

Dans un exemple plus simple, imaginez une chaîne fixée aux deux extrémités qui supporte les ondes avec une vitesse $ v $ . Imaginez maintenant tirer la corde vers le haut en un point, ce qui en fait deux lignes droites de chaque côté de la traction au lieu d'une ligne droite. Tant que cette corde est maintenue, sa déflexion est composée de phonons virtuels car la décomposition de Fourier de la forme de la corde n'obéit pas aux équations de mouvement de la corde libre (c'est de là que viennent les relations de dispersion - les équations du mouvement). Une fois la corde relâchée, tous ces phonons virtuels deviennent «réels» lorsque la corde commence à vibrer. Dans cet exemple, la force externe exercée sur la corde est comme la charge de la particule, donc une véritable annihilation anti-particule de particules exigerait que des forces agissant dans des directions opposées soient rapidement rassemblées par la corde et libérant des ondes dans le processus.

Ainsi, vous pourriez penser aux photons "réels" comme des ondes progressives qui obéissent aux équations de Maxwell en l'absence de charges. Les photons virtuels sont ce dont vous avez besoin pour décrire le champ lorsque des charges sont présentes.

Je ne peux pas améliorer ce qui est ci-dessus, mais je peux illustrer quelque chose d'une nature existentielle différente.La question "Que sont réellement les particules virtuelles?"est contradictoire, car il n'y a pas de particules virtuelles réelles.Les particules virtuelles sont une manifestation de la théorie des champs quantiques perturbatifs.Les lignes internes des diagrammes de Feynman sont des propagateurs avec une sommation sur l'élan ou l'énergie.Comme nous le savons du calcul élémentaire, une variable d'intégration est une variable fictive.À bien des égards, il en va de même pour les particules virtuelles.Les particules virtuelles sont une manifestation de notre formalisme.À bien des égards, ils sont virtuels parce qu'ils sont une construction mentale.Ce sont vraiment des gadgets que nous utilisons pour résoudre des problèmes.

C'est une source de confusion. Avant de répondre à ce qu'est une particule virtuelle, il faut probablement discuter de ce qu'est une particule. C'est parce que le mot particule ne correspond pas particulièrement bien à la nature microscopique de la matière, des champs quantiques qui le sont. Une particule classique macroscopique a une position, un élan et une énergie bien définis à un moment particulier, mais le champ quantique décrivant la matière ne le fait pas nécessairement.

Pensez à l'accélérateur de particules. Il y a un vide énorme et des particules voyageant librement jusqu'à ce qu'elles interagissent très brièvement au niveau d'un point chaud. Les états quantiques entrants et sortants sans symptômes se propagent en conservant l'élan et l'énergie par exemple (ceux-ci sont généralement considérés comme des solutions d'onde plane et sont censés être sur la masse-coque). Il est logique de parler de particule 245GeV par exemple. Ainsi, dans la théorie de la diffusion, ces états entrants et sortants sont appelés particules (et c'est peut-être là que vient le nom de particule car elles ressemblent le plus aux particules classiques lorsqu'elles sont libres).

Cependant, pendant l'interaction, tout est en désordre. Il n'est pas possible d'identifier facilement les particules en fonction de leurs solutions. Cependant, nous savons exactement comment ces champs doivent se propager et que les mathématiques peuvent être formulées à l'aide de diagrammes de Feynman. Deux électrons, par exemple, peuvent échanger un photon. Ce photon est dans le point chaud et ne peut jamais être mesuré. C'est à l'intérieur du diagramme de Feynman et c'est ce qu'on appelle normalement une particule virtuelle.

Ce que je viens d'écrire, ce n'est qu'une définition des particules dans le contexte de la théorie de la diffusion. Il y en a beaucoup d'autres dans le contexte d'autres théories et elles sont utilisées pour aider à réfléchir ou du moins à nommer des choses. Le problème n'est pas qu'il y a tant de définitions, mais le problème est vraiment que la particule classique ne convient pas très bien à la mécanique quantique.

Par exemple, en utilisant strictement cette définition, un électron dans un atome d'hydrogène serait classé comme virtuel car il échange constamment des photons virtuels avec les noyaux et seul le photon le mesurant devrait être réel. Cependant, dans la théorie du solide et la chimie quantique, il est très courant de parler de cet électron d'hydrogène en tant que particule. On peut aussi faire l'état fondamental du vide d'hydrogène, et parler de trous (l'électron est passé de l'orbitale 1s) et d'électrons (électron à une autre orbitale). J'ai omis le préfixe quasi ici car il n'est pas souvent utilisé dans le jargon normal. C'est-à-dire que le mot électron (ou particule d'ailleurs) dépend beaucoup du contexte.

Si vous me demandez si les particules virtuelles sont réelles et me forcent à répondre par un mot, je dirais oui. Je préciserais qu'elles sont aussi réelles que des particules régulières (dans la définition de diffusion) et notre incapacité à les caractériser lors des interactions ne change rien à cela. De plus, il faut ajouter que la réalité de tout est toujours une discussion métaphysique.

Une particule réelle ou juste une particule est définie comme ayant une masse $ m $ qui remplit $ m ^ 2 = E ^ 2 - \ vec {p} ^ 2 $ ( $ c = 1 $ ) pour $ E $ , $ \ vec {p} $ . Il existe donc une relation pour $ E $ et $ \ vec {p} $ et de telles particules sont appelées être sur leur shell de masse (plot $ E = \ pm \ sqrt {m ^ 2 + \ vec {p} ^ 2} $ pour le shell). En revanche, une particule virtuelle ne remplit pas cette relation et il n'y a pas de connexion entre $ E $ et $ \ vec {p } $ à travers sa masse, il est appelé à être hors de sa masse-shell.

Le concept de particules virtuelles est une interprétation des états intermédiaires dans les processus de diffusion en théorie quantique des champs qui n'obéissent pas à $ m ^ 2 = E ^ 2- \ vec {p} ^ 2 $ . Cependant, il existe une autre interprétation qui a été utilisée au début de la théorie quantique des champs et qui est moins utilisée aujourd'hui pour des raisons de symétrie. L'idée est de permettre la violation de la conservation de l'énergie pour les états intermédiaires dans les processus de diffusion. Maintenant, on peut corriger $ m ^ 2 = E ^ 2- \ vec {p} ^ 2 $ et rétablir que toutes les particules à venir sont réelles.

La question pour les particules virtuelles est donc du même type que la question de savoir comment interpréter les mesures en mécanique quantique: on a un concept théorique qui donne les bons résultats, mais il n'y a pas d'analogues pour ce concept dans notre monde macroscopique et nous ne sommes donc pas en mesure de comprendre intuitivement ce qui se passe. Néanmoins, les gens imaginent des interprétations vives de ce qui se passe réellement au-delà de notre vue. Ce qui est drôle, c'est qu'on ne peut pas prouver qu'une interprétation est bonne ou mauvaise, on peut simplement les aimer ou ne pas les aimer en raison de faveurs personnelles.