Question:
Les bosons W et Z sont-ils virtuels ou non?
user1702
2011-02-01 10:35:43 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Les bosons W et Z sont observés / découverts. Mais en tant que bosons porteurs de force, devraient-ils être des particules virtuelles, inobservables? Et ils doivent également avoir une masse, mais s'ils sont virtuels, ils peuvent être hors shell, ils sont virtuels ou non.

Si vous étiez dans un système au-dessus de la température électrofaible, vous seriez entouré d'une mer de bosons W et Z très réels.
Vraiment? Ils deviendraient stables?
Ils ont été observés dans des accélérateurs de particules, ils peuvent donc certainement être réels.
@Noldorin: Vous voudrez peut-être être prudent en reliant «observabilité» à «réel» dans ce contexte. Nous reconstruisons les bosons faibles en coquille par leurs produits de désintégration, ce qui permet également de reconstruire les bosons faibles hors coquille.
@dmckee: mais il y aurait un niveau d'énergie où le processus de désintégration serait essentiellement réversible, non? À ce stade, voir le Z serait aussi probable que voir la paire électron / position vers laquelle il se désintégrerait.
@Noldorin: Vérifiez ma réponse pour savoir comment cela est observé dans les collisionneurs. Ils n'ont pas besoin d'être réels, et ils ne le sont pas réellement.
Regardez le Z ici http://pdg.lbl.gov/2014/hadronic-xsections/rpp2014-sigma_R_ee_plots.pdf
Trois réponses:
#1
+61
Arnold Neumaier
2012-03-08 16:02:43 UTC
view on stackexchange narkive permalink

[Modifier le 2 juin 2016: une version considérablement mise à jour du matériel ci-dessous peut être trouvée dans les deux articles https://www.physicsforums.com/insights/misconceptions-virtual-particles/ et https://www.physicsforums.com/insights/physics-virtual-particles/]

Permettez-moi de donner une deuxième réponse plus technique.

Particules observables. En QFT, les particules observables (donc réelles) de masse $ m $ sont classiquement définies comme étant associées aux pôles de la matrice S à l'énergie $ E = mc ^ 2 $ dans le cadre de repos de le système (Peskin / Schroeder, Une introduction à QFT, p.236). Si le pôle est à une énergie réelle, la masse est réelle et la particule est stable; si le pôle est à une énergie complexe (dans la suite analytique de la matrice S à la deuxième feuille), la masse est complexe et la particule est instable. Aux énergies plus grandes que la partie réelle de la masse, la partie imaginaire détermine son taux de décroissance et donc sa durée de vie (Peskin / Schroeder, p. 237); à des énergies plus petites, la particule instable ne peut se former faute d'énergie, mais l'existence du pôle est révélée par une résonance de Breit-Wigner dans certaines sections transversales.De sa position et de sa largeur, on peut estimer la masse et la durée de vie d'un tel particule avant qu'elle n'ait jamais été observée. En effet, de nombreuses particules répertoriées dans les tableaux http://pdg.lbl.gov/2011/reviews/contents_sports.html par le Particle Data Group (PDG) ne sont que des résonances.


Particules stables et instables. Une particule stable peut être créée et annihilée, car il existe des opérateurs de création et d'annihilation associés qui ajoutent ou suppriment particules à l'état. Selon le formalisme QFT, ces particules doivent être sur coque. Cela signifie que leur impulsion $ p $ est liée à la masse réelle au repos $ m $ par la relation $ p ^ 2 = m ^ 2 $.
Plus précisément, cela signifie que la transformée de Fourier en 4 dimensions de la fonction d'onde à une seule particule dépendante du temps qui lui est associée a un support qui satisfait la relation sur coque $ p ^ 2 = m ^ 2 $. Il n'est pas nécessaire que cette fonction d'onde soit une onde plane, bien que celles-ci soient considérées comme les fonctions de base entre les éléments de la matrice de diffusion.

Une particule instable est représentée quantitativement par un état dit de Gamov (voir, par exemple, http://arxiv.org/pdf/quant-ph/0201091.pdf), également appelé état Siegert (voir, par exemple, http: // www. cchem.berkeley.edu/millergrp/pdf/235.pdf) dans une déformation complexe de l'espace de Hilbert d'un QFT, obtenue par suite analytique des formules pour des particules stables. Dans ce cas, comme $ m $ est complexe, la couche de masse se compose de tous les vecteurs de moment complexes $ p $ avec $ p ^ 2 = m ^ 2 $ et $ v = p / m $ réel, et les états sont composés exclusivement de ces vecteurs de moment. C'est la représentation dans laquelle on peut prendre la limite de désintégration nulle, dans laquelle la particule devient stable (comme le neutron dans la limite d'interaction électromagnétique négligeable), et donc la représentation appropriée dans le régime où la particule instable peut être observée (c'est-à-dire résolu dans le temps).

Une deuxième représentation en termes d'états normalisables de masse réelle est donnée par une superposition d'états de diffusion de leurs produits de désintégration, impliquant toutes les énergies dans la gamme du Breit-Wigner résonance. Dans cette représentation d'espace de Hilbert standard, la particule instable n'est jamais formée; c'est donc la représentation appropriée dans le régime où la particule instable se révèle seulement comme une résonance.

La description PDG 2010 du boson Z, http://pdg.lbl.gov/2011 /reviews/rpp2011-rev-z-boson.pdf traite les deux descriptions en détail quantitatif (p.2: approche Breit-Wigner; p.4: approche S-matrice).

( ajouté le 18 mars 2012): Toutes les particules observables sont sur la coquille, bien que la coquille de masse ne soit réelle que pour les particules stables.


Particules virtuelles (ou hors coque). D'un autre côté, les particules virtuelles sont définies comme des lignes internes dans un Feynman diagramme (Peskin / Schroeder, p.5, ou Zeidler, QFT I Bases en mathématiques et physique, p.844) et c'est leur seul mode d'être. Dans les approches sans diagramme de QFT telles que la théorie de la jauge de réseau, il est même impossible de donner un sens à la notion de particule virtuelle. Même dans le QFT orthodoxe, on peut se passer complètement de la notion de particule virtuelle, comme Vol. 1 du livre QFT de Weinberg le démontre. Il représente le contenu empirique complet de QFT, en évitant soigneusement de mentionner la notion de particules virtuelles.

Comme les particules virtuelles ont une masse réelle mais des impulsions hors coque, et que les états multiparticules sont toujours composés de particules sur coque uniquement, il est impossible de représenter une particule virtuelle au moyen d'états. Les états impliquant des particules virtuelles ne peuvent pas être créés faute d'opérateurs de création correspondants dans la théorie.

Une description de la désintégration nécessite une matrice S associée, mais les états d'entrée et de sortie du formalisme de la matrice S sont composé d'états sur coque uniquement, n'impliquant aucune particule virtuelle. (En effet, c'est la raison du nom '' virtuel ''.)

Faute d'état, les particules virtuelles ne peuvent avoir aucune des caractéristiques physiques habituelles telles que la dynamique, les probabilités de détection ou les canaux de désintégration . Comment alors parler de leur probabilité de décomposition, de leur durée de vie, de leur création ou de leur décomposition? On ne peut pas, sauf au sens figuré!


États virtuels. (ajouté le 19 mars 2012): In non relativistic théorie de la diffusion, on rencontre aussi le concept d'états virtuels, désignant des états de particules réelles sur la deuxième feuille de la suite analytique, ayant une énergie bien définie mais purement imaginaire, définie comme un pôle de la S-matrice. Voir, par exemple, Thirring, A course in Mathematical Physics, Vol 3, (3.6.11).

Le terme état virtuel est utilisé avec une signification différente dans virtuel spectroscopie d'état (voir, par exemple, http://people.bu.edu/teich/pdfs/PRL-80-3483-1998.pdf), et y dénote un niveau d'énergie instable au-dessus du seuil de dissociation . Cela équivaut au concept de résonance.

Les états virtuels n'ont rien à voir avec les particules virtuelles, qui ont des énergies réelles mais pas d'états associés, bien que parfois le nom «état virtuel» leur soit associé. Voir, par exemple, https://researchspace.auckland.ac.nz/bitstream/handle/2292/433/02whole.pdf; l'auteur de cette thèse explique à la page 20 pourquoi cette terminologie est trompeuse, mais utilise encore occasionnellement cette terminologie dans son travail.


Pourquoi les particules virtuelles sont-elles souvent confondues avec des particules instables? Comme nous l'avons vu, les particules instables et les résonances sont observables et peuvent être caractérisées quantitativement en termes d'états. D'un autre côté, les particules virtuelles manquent d'état et donc n'ont pas de propriétés physiques significatives.

Cela soulève la question de savoir pourquoi les particules virtuelles sont souvent confondues avec des particules instables, voire identifiées.

La raison, je crois, est que dans de nombreux cas, la contribution dominante à une section efficace de diffusion présentant une résonance vient de l'échange d'une particule virtuelle correspondante dans un diagramme de Feynman suggérant une collection de lignes du monde décrivant la création et l'annihilation des particules. (Des exemples peuvent être vus sur la page Wikipedia pour les bosons W et Z, http://en.wikipedia.org/wiki/Z-boson.)

Cet espace-temps L'interprétation des diagrammes de Feynman est très tentante graphiquement, et contribue à la popularité des diagrammes de Feynman à la fois parmi les chercheurs et en particulier les profanes, bien que certains auteurs - notamment Weinberg dans son livre QFT - résistent délibérément à cette tentation.

Cependant, cela l'interprétation n'a aucune base physique. En effet, un seul diagramme de Feynman donne généralement une contribution infinie (et donc physiquement dénuée de sens) à la section efficace de diffusion. Le fini, les valeurs renormalisées de la section efficace ne sont obtenues qu'en additionnant une infinité de ces diagrammes. Cela montre qu'un diagramme de Feynman ne représente qu'un terme dans un calcul de perturbation, et non un processus se déroulant dans l'espace-temps. On ne peut donc pas attribuer une signification physique à un seul diagramme mais au mieux à une collection d'une infinité de diagrammes.


La vraie signification des particules virtuelles. Pour quiconque est encore tenté d'associer une signification physique aux particules virtuelles comme un phénomène quantique spécifique, permettez-moi de noter que les diagrammes de type Feynman surviennent dans tout traitement perturbatif des propriétés statistiques des multiparticules, même classiquement, comme tout manuel de mécanique statistique en témoigne.

Plus spécifiquement, l'article http://homepages.physik.uni-muenchen.de/~helling/classical_fields.pdf montre que la théorie des perturbations pour tout classique la théorie des champs conduit à une expansion dans des diagrammes de Feynman très similaires à ceux des théories quantiques des champs, sauf que seuls les diagrammes arborescents apparaissent. Si l'image des particules virtuelles dérivées des diagrammes de Feynman avait une validité intrinsèque, on devrait conclure qu'associé à chaque champ classique il y a des particules virtuelles classiques se comportant comme leurs analogues quantiques, sauf que (faute de diagrammes en boucle) il n'y a pas modèles de création / annihilation virtuels. Mais dans la littérature, on ne trouve pas la moindre trace d'une suggestion selon laquelle la théorie classique des champs est interprétée raisonnablement en termes de particules virtuelles.

La raison de cette similitude dans le cas classique et quantique est que les diagrammes de Feynman ne sont rien d'autre qu'une notation graphique pour écrire des produits de tenseurs avec de nombreux indices additionnés via la convention de sommation d'Einstein. Les indices des résultats sont les lignes externes aka «particules réelles», tandis que les indices additionnés sont les lignes internes aka «particules virtuelles». En tant que telles sommes de Les produits se produisent dans toute expansion multiparticule des attentes, ils surviennent indépendamment de la nature classique ou quantique du système.


(ajouté le 29 septembre 2012)

Interprétation des diagrammes de Feynman.

De manière informelle, en particulier dans la littérature populaire, les paricules virtuelles sont considérées comme transmettant les forces fondamentales de la théorie quantique des champs. La force faible est transmise par les Z virtuels et Ws. La force forte est transmise par des gluons virtuels. La force électromagnétique est transmise par des photons virtuels. Cela '' prouve '' l'existence de particules virtuelles aux yeux de leurs aficionados.

La physique sous-jacente à ce discours figuratif sont les diagrammes de Feynman, principalement les diagrammes d'arbres les plus simples qui codent les contributions perturbatives d'ordre inférieur des interactions à la limite classique des expériences de diffusion. (Ainsi, ils sont vraiment une manifestation de la théorie des champs perturbatifs classiques, pas des champs quantiques. Les corrections quantiques impliquent au moins une boucle.)

Les diagrammes de Feynman décrivent comment les termes dans une expansion en série des éléments de la matrice S surgissent dans un traitement perturbatif des interactions comme combinaisons linéaires d'intégrales multiples. Chacune de ces intégrales multiples est un produit des contributions de sommets et des propagateurs, et chaque propagateur dépend d'un vecteur à 4 impulsions qui est intégré sur. De plus, il y a une dépendance sur les impulsions de l'entrée (préparée) et de la sortie (en principe détectable ).

La structure de chacune de ces intégrales peut être représentée par un diagramme de Feynman. Cela se fait en associant à chaque sommet un nœud du diagramme et à chaque moment une ligne; pour les moments entrants une ligne externe se terminant par un nœud, pour les moments sortants une ligne externe commençant dans un nœud, et pour les moments propagateurs une ligne interne entre deux nœuds.

Les diagrammes résultants peuvent recevoir une interprétation très vivante mais superficielle comme les lignes du monde des particules qui subissent un métamorphose (création, déviation ou désintégration) aux sommets.Dans cette interprétation, les lignes entrantes et sortantes sont les lignes du monde des particules préparées et détectées, respectivement, et les autres sont des particules virtuelles, qui ne sont pas réelles mais requises par cette interprétation . Cette interprétation est liée à l'intuition de Feynman de 1945 - et est en fait historiquement issue de - l'intuition de Feynman selon laquelle toutes les particules empruntent tous les chemins possibles avec une amplitude de probabilité donnée par la densité intégrale de chemin. Malheureusement, une telle vue est naturellement liée uniquement à l'intégrale de chemin formelle et non normalisée. Mais là toutes les contributions des diagrammes contenant des boucles sont infinies, défiant une interprétation probabiliste.

Selon la définition en termes de diagrammes de Feynman, une particule virtuelle a des valeurs spécifiques de 4 impulsions, de spin et de charges, caractérisant la forme et les variables dans son propagateur de définition. Comme le 4-moment est intégré sur tout $ R ^ 4 $, il n'y a pas de contrainte de coque de masse, donc les particules virtuelles sont hors coque.

Au-delà de cela, la théorie quantique formelle des champs ne peut attribuer aucune propriété ou probabilité à une particule virtuelle. Cela nécessiterait de leur attribuer des états, pour lesquels il n'y a pas de place dans le formalisme QFT, mais l'interprétation les oblige à exister dans l'espace et le temps, par conséquent ils sont attribués par inimagination avec toutes sortes de propriétés miraculeuses qui complètent le tableau à quelque chose de plausible. (Voir, par exemple, l ' article de Wikipedia sur les particules virtuelles .) Être habillé avec une notion floue de fluctuations quantiques, où la relation d'incertitude de Heisenberg permet prétendument d'emprunter pendant un temps très court de l'énergie à la banque quantique, ces propriétés ont une apparence superficielle d'être scientifiques, mais elles sont complètement antiphysiques car il n'y a ni moyen de les tester expérimentalement ni une pour les dériver des propriétés formelles des particules virtuelles.

La longue liste de manifestations de particules virtuelles évoquées dans l'article Wikipédia cité sont en fait des manifestations d'éléments de matrice de diffusion calculés, manifestant l'exactitude des formules pour les multiples intégrales associées aux diagrammes de Feynman, mais pas la validité des affirmations à propos des particules virtuelles.

Bien que les calculs QFT utilisent généralement la représentation de l'impulsion, il existe également une image complémentaire (physiquement inutile) transformée de Fourier de diagrammes de Feynman utilisant des positions spatio-temporelles au lieu de 4-impulsions. Dans cette version, l'intégration se fait sur tout l'espace-temps, donc les particules virtuelles ont désormais des positions spatio-temporelles mais pas de dynamique, donc pas de lignes du monde. (En physique, la dynamique est toujours liée à des états et à une équation de mouvement. Rien de tel n'existe pour les particules virtuelles.)


Peut-on distinguer les photons réels et virtuels?

Il est largement admis que les branches externes des diagrammes de Feynman ne sont en réalité que les jambes internes de diagrammes plus grands. Cela brouillerait la distinction entre les particules réelles et virtuelles, car en réalité, chaque jambe est interne.

L'argument de base derrière cette vue est le fait que les photons qui ont frappé un œil (et cela donnent la preuve de quelque chose de réel) ont été produits par excitation d'un objet éloigné. Cette vue est cohérente avec la création ou la destruction de photons comme ce qui se passe à un sommet contenant une ligne de photons. Dans cette vue, il s'ensuit que l'univers est un gigantesque diagramme de Feynman avec de nombreuses boucles dont nous et nos expériences ne sommes qu'une infime partie.

Mais les diagrammes de Feynman simples n'ont pas de signification technique. Seule la somme de tous les diagrammes de Feynman a une valeur prédictive, et les plus petits y contribuent le plus - sinon nous ne pourrions pas faire de calculs perturbatifs.

De plus, cette vue contredit la façon dont les calculs QFT sont réellement utilisés. Les éléments de matrice de dispersion sont toujours considérés entre particules. Sans exception, les comparaisons des résultats QFT avec des expériences de diffusion sont basées sur ces résultats sur coque.

Il doit nécessairement en être ainsi, car les éléments de matrice hors shell n'ont pas de sens formel: les éléments de matrice sont pris entre les états, et tous les états physiques sont sur shell par la structure de base de QFT. Ainsi, la structure de QFT elle-même impose une distinction fondamentale entre les particules réelles représentables par des états et les particules virtuelles représentables par des propagateurs uniquement.

Le problème de base qui invalide l'argument ci-dessus est l'hypothèse que la création et la destruction de particules dans l'espace et le temps peut être identifié avec des sommets dans les diagrammes de Feynman. Ils ne peuvent pas. Car les diagrammes de Feynman manquent de propriétés dynamiques, et leur interprétation dans l'espace et dans le temps est stérile.

Ainsi, l'opinion selon laquelle en réalité il n'y a pas de lignes externes est basée sur une identification superficielle, tentante mais invalide de concepts théoriques aux propriétés très différentes.

les particules (représentées par des pattes externes) et les particules virtuelles (représentées par des pattes internes) sont des entités conceptuelles complètement séparées, clairement distinguées par leur signification. En particulier, ne transforme jamais l'un en l'autre ni n'affecte l'un l'autre.

très agréable. J'espérais que quelqu'un écrirait quelque chose comme ça pour ne pas avoir à le faire moi-même.
Je pense que vous avez raison de dire que c'est une question de définitions. J'ai vu ce vocabulaire se battre à plusieurs reprises. Certaines personnes ont appris qu'une particule virtuelle est par définition une ligne interne dans un diagramme de Feynman. D'autres ont appris qu'une particule virtuelle est par définition une particule hors masse. Plutôt que de se battre pour la définition correcte, il est plus utile d'expliquer la différence entre les deux définitions.
Enfin, il existe une troisième définition, plus populaire et moins scientifique. Une "particule virtuelle" est définie implicitement par ces trois affirmations: "La force faible est transmise par des Z et W virtuels. La force forte est transmise par des gluons virtuels. La force électromagnétique est transmise par des photons virtuels" Des déclarations comme celle-ci se retrouvent fréquemment dans vulgarisations et presse générale. Selon cette définition, la radio et la télévision fonctionnent avec de vrais photons, mais les aimants de réfrigérateur et les moteurs électriques fonctionnent sur des photons virtuels. J'aimerais voir une comparaison minutieuse des trois définitions.
Ligne interne @Jim: = hors coque de masse. On ne peut pas écrire un état physique pour une particule hors coque. C'est mon point. Ils ne peuvent exister dans le sens d'avoir des propriétés prévisibles au-delà de celles déjà codées dans leur définition. - Une comparaison au-delà de ce que j'ai donné est presque impossible car on ne peut pas discuter des propriétés des objets vaguement définis. On se heurte à des discussions sans fin à cause de cette imprécision (voir ma FAQ pour des exemples); ce n'est plus de la physique au sens fort.
Essayer de réconcilier des particules virtuelles (peu importe avec lesquelles de vos trois définitions) avec quelque chose ayant des propriétés dont on peut parler avec une certaine précision, c'est ouvrir une boîte de vers. Il faut faire beaucoup d'hypothèses injustifiées fondées sur la plausibilité, et on peut le faire de différentes manières. C'est un concept trop flou pour être en mesure d'obtenir des propriétés définies.
@ArnoldNeumaier je serais intéressé, si vous convenez que dans la description de la matrice S, les seules lignes externes peuvent être des particules stables et non en décomposition? après que toutes les particules instables ne peuvent pas être déplacées à -infini dans le temps, une particule instable ne peut donc jamais apparaître dans une matrice de diffusion en tant qu'états initiaux ou finaux, c'est-à-dire des lignes externes dans les diagrammes de Feynman.
@luksen: Dans la théorie orthodoxe, les lignes externes correspondent uniquement aux particules stables et aux états liés. Cependant, le formalisme orthodoxe peut être poursuivi analytiquement à des énergies complexes, mais les $ p / E $ réels, puis les particules instables sont également autorisés.
Cette réponse n'est pas bonne. Les particules virtuelles ne sont pas antipathiques, et il est erroné de les caractériser de cette façon. La série de perturbations peut être refondue en termes de trajectoires de particules, et ces trajectoires peuvent être considérées comme des particules qui circulent et entrent en collision, et ce n'est pas faux, malgré la distance de Weinberg pour cela. Dans la théorie des champs non relativistes de la matière condensée, les particules efficaces telles que les phonons peuvent être virtuelles, bien que dans ce cas, les particules virtuelles obéissant à l'équation de Schrödinger soient décrites de manière équivalente par des particules réelles circulant sur des chemins de Feynman.
@RonMaimon: Un seul diagramme de Feynman (donc un diagramme qui pourrait être interprété comme un chemin réel) donne une contribution infinie à l'amplitude une fois qu'il contient une boucle. Les résultats physiques ne sont obtenus qu'après la renormalisation annulant des groupes de diagrammes. Dans les théories de jauge en treillis, on ne peut même pas parler de diagrammes; alors comment peuvent-ils avoir une signification physique?
@ArnoldNeumaier: Ce n'est pas un problème (du moins dans l'ultraviolet --- les divergences infrarouges sont le vrai problème, elles sont beaucoup plus difficiles à résoudre ici), les divergences sont dues à la propagation des particules à courte distance. Sur un réseau, la contribution est finie et égale à la somme sur les chemins du réseau. Lorsque vous prenez la limite du continuum, vous devez considérer les chemins du continuum plus les contributions du contre-terme, de sorte qu'un électron qui émet et absorbe un photon à distance $ \ epsilon $ ait juste une correction de masse, et coupant à $ \ epsilon \ approx { 1 \ over \ mu} $ la correction est nulle.
Oh oui, mais le modèle standard concerne le continuum, où le treillis est mathématiquement presque trivial, comparé au continuum. De plus, dans un modèle en treillis, vous n'avez même pas de direction temporelle, vous ne pouvez donc pas interpréter les diagrammes en termes de chemins dans le temps. Le temps imaginaire est physiquement dépourvu de sens. De plus, un seul terme renormalisé fini est déjà composé de plusieurs diagrammes de Feynman, donc un seul diagramme ne signifie rien.
@Arnold Neumaier, comment les particules observables qui interagissent s'intègrent-elles dans votre image? Ces particules sont légèrement décalées, donc virtuelles en plus d'être observables.
@user1247: Non. Les particules observables sont asymptitiques dans le sens de diffusion du jouet, donc sur la coquille. Les résonances sont de vraies particules trop courtes pour être observées, mais elles ont une masse complexe bien définie. Ceci est indépendant de l'interaction; toutes les particules réelles interagissent. En revanche, les particules virtuelles sont hors coque, c'est-à-dire qu'elles ont une masse réelle violant la contrainte de coque de masse. Ce sont des mnémoniques pour les propagateurs et n'ont aucune propriété observable qui pourrait être vérifiée par expérience.
@Arnold Neumaier, mais dans la théorie de la diffusion, les jambes externes sont considérées comme des ondes planes sur la coque, ce qui est une approximation. Ma compréhension est qu'en réalité, ils sont légèrement hors coque (et bien sûr pas des ondes planes) en raison de leur durée de vie finie (son énergie mesurée peut être hors coque, tant que $ \ Delta E \ Delta t <\ hbar $ )
@user1247: La matrice de diffusion est un opérateur. QFT donne son action sur les ondes planes. A partir de là, on peut déterminer l'action de l'opérateur de diffusion sur des états arbitraires en prenant des combinaisons linéaires et des limites appropriées. Il n'y a donc aucune approximation impliquée.
@Arnold Neumaier, maintenant vous parlez de décrire des "particules observables" même après mesure comme étant dans des superpositions d'états d'impulsion définie d'onde plane différents, en d'autres termes vous ne décrivez plus une particule avec des propriétés mesurables, vous décrivez en fait une sommation de états virtuels.
@user1247: Non. Une seule particule peut être dans n'importe quel état à 1 particule, pas seulement dans un état d'onde plane. Aucune sommation sur les états virtuels n'est impliquée.
Je suis très favorable à votre point de vue, mais je pense que vous devriez ajouter une discussion qui aborde la description canonique omniprésente des «jambes externes» étant en réalité des jambes internes de diagrammes plus grands, car en réalité le photon qui frappe votre œil a été produit à un sommet et s'est terminé sur un sommet. C'est une opinion très populaire qui se retrouve dans la plupart des textes tels que Griffiths, il serait donc judicieux de votre part de la traiter. Vous dites que les particules virtuelles n'ont pas de propriétés observables, mais ce n'est pas le cas d'une particule qui est infinimentimalement hors de sa coquille, sinon la limite du continuum n'aurait pas de sens.
@user1247: J'ai augmenté ma réponse pour répondre à votre première préoccupation. - Je ne comprends pas la deuxième préoccupation. QFT est une théorie dans le continuum; on n'a pas besoin de prendre une limite de continuum, sauf quand on statistique avec une approximation en treillis.
J'ai formulé cela paresseusement, je voulais dire la limite dans laquelle le "hors coquille" va à zéro. Vous prétendez qu'une particule qui est infinimentimement hors coque n'a pas de propriétés mesurables, mais cela n'a tout simplement pas de sens: si vous prenez la limite, vous devez vous retrouver avec une particule sur coque avec des propriétés observables.
laissez-nous [continuer cette discussion dans le chat] (http://chat.stackexchange.com/rooms/5906/discussion-between-arnold-neumaier-and-user1247)
Apprécié @RonMaimon, Je suis très intéressé à en savoir plus sur les particules virtuelles et les diagrammes de Feynman dans l'espace-temps. Pourriez-vous s'il vous plaît étendre votre premier commentaire à cette réponse ou me donner quelques références (article, livre, papier, etc.)? Je sais exprimer le propagateur de champ euclidien en termes d'intégrale de chemin d'une particule relativiste, mais pas beaucoup plus.
@drake: Peut-être le livre de Polyakov "Champs de jauge et cordes". Je ne connais pas une bonne référence, car la disponibilité d'un formalisme de champ correct et cohérent met un frein au développement d'un formalisme particulaire complet et cohérent, donc pour l'instant nous n'avons qu'un formalisme perturbatif. Je ne pense pas que ce soit intrinsèque, mais personne n'y travaille, et je ne sais pas si la récompense en vaut la peine. Le problème est que dans le formalisme des particules, les interactions ne se font pas au bon moment, les particules interagissent lorsqu'elles arrivent au même point dans l'espace-temps à un moment donné.
D'accord, merci @RonMaimon, mais ce n'est pas dans le livre de Polyakov. Un diagramme de Feynman au-delà du niveau de l'arborescence en utilisant ce formalisme serait utile. Je ne sais même pas comment écrire le propagateur de Feynman d'un champ non scalaire en termes de chemin de particules relativiste.
Eh bien, je suppose que c'est trivial pour les particules avec spin ...
#2
+8
Arnold Neumaier
2012-03-08 01:07:47 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Toutes les particules observées sont des particules réelles en ce sens que, contrairement aux particules virtuelles, leurs propriétés sont vérifiables par expérience. En particulier, les bosons W et Z sont des particules réelles mais instables à des énergies supérieures à l'équivalent énergétique de leur masse au repos. Ils se présentent également comme des particules virtuelles non observables dans le traitement de diffusion échangeant un boson W ou Z, bien que l'existence d'un diagramme d'échange correspondant soit visible expérimentalement sous forme de résonance.

Particules virtuelles et particules instables (c.-à-d. sont des entités conceptuellement très différentes. Puisqu'il semble y avoir une confusion généralisée sur la signification des termes (et comme Wikipédia est assez peu fiable à cet égard), permettez-moi de donner des définitions précises de certains termes:

Un stable, la particule observable (et donc réelle dans le sens spécifié ci-dessus) a une masse réelle $ m $ et une vraie 4-impulsion $ p $ satisfaisant $ p ^ 2 = m ^ 2 $; on dit aussi que c'est sur shell. Pour de telles particules, on peut calculer des éléments de matrice S, et selon la théorie quantique des champs, uniquement pour de telles particules. Dans les calculs perturbatifs, les particules stables correspondent précisément aux lignes externes des diagrammes de Feynman sur lesquels est basée la théorie des perturbations. Seules quelques particules élémentaires sont stables, et peuvent donc être associées à de telles lignes externes. (Cependant, dans les sous-théories du modèle standard qui ignorent certaines interactions, les particules instables dans la Nature peuvent être stables; ainsi la notion dépend un peu du contexte.)

Une particule virtuelle a un élan réel avec $ p ^ 2 \ ne m ^ 2 $ (on dit aussi qu'elles sont hors coquille), et ne peut pas exister car cela violerait la conservation de l'énergie. Dans les calculs perturbatifs, les particules virtuelles correspondent précisément aux lignes internes des diagrammes de Feynman sur lesquels est basée la théorie des perturbations, et ne sont que des mnémoniques visuelles pour les intégrations sur 4 moments non restreintes à la couche de masse. Dans les méthodes non perturbatrices de calcul des propriétés des particules, il n'y a pas de notion de particules virtuelles; ils sont un artefact de la théorie des perturbations.

Les particules virtuelles ne sont jamais observables. Ils n'ont pas de propriétés auxquelles on pourrait attribuer d'une manière formellement significative une dynamique, et donc une sorte d'existence dans le temps. En particulier, il est insensé de les considérer comme des objets de courte durée. (Dire qu'ils apparaissent et disparaissent pendant un temps permis par le principe d'incertitude n'a aucune base dans un sens dynamique - c'est une pure spéculation basée sur des illustrations pour le public non éduqué, et d'un malentendu généralisé que les lignes internes dans les diagrammes de Feynman décrivent les particules trajectoires dans l'espace-temps).

Toutes les particules élémentaires peuvent apparaître comme des lignes internes dans les calculs perturbatifs, et donc posséder une version virtuelle. Pour une discussion plus approfondie des particules virtuelles, voir le Chapitre A8: Particules virtuelles et fluctuations du vide de mon FAQ sur la physique théorique .

Une particule observable instable (et donc réelle dans le sens spécifié ci-dessus) a une masse complexe $ m $ et une 4-impulsion complexe $ p $ satisfaisant $ p ^ 2 = m ^ 2 $. (Il ne faut pas utiliser le terme on-shell ou off-shell dans ce cas car il devient ambigu). La partie imaginaire de la masse est liée à la demi-vie de la particule. Aux énergies inférieures à l'énergie $ E = Re \ mc ^ 2 $, les particules élémentaires instables sont observables comme des résonances dans les sections transversales des processus de diffusion impliquant leur échange en tant que particule virtuelle, tandis qu'à des énergies plus élevées, elles sont observables sous forme de traces de particules (si chargées) ou comme espaces dans les traces de particules; dans ce dernier cas identifiable par les traces de leurs produits chargés.

Pour les particules instables on ne peut calculer les éléments de la matrice S que dans des théories approchées où la particule est traitée comme stable, ou par suite analytique des formules standards pour des particules stables aux énergies et impulsions complexes.

Votre distinction entre une * "particule virtuelle" * ($ p ^ 2 \ ne m ^ 2 $ pour les $ m $ réels et $ p $) et une * "observable instable" * ($ p ^ 2 = m ^ 2 $, mais $ m $ complexe) semble être sans différence. Et où se situe un neutron libre dans cette image? Il est instable, mais il est clairement réel et a une masse mesurable très précisément (et le proton encore plus s'il est en fait instable).
Il n'y a pas de différence entre une masse réelle et une masse complexe ?? - Un neutron est une particule instable et non élémentaire. Comme toute particule instable, c'est une particule réelle, conforme à ce que j'ai écrit. Sa masse est presque réelle, car elle vit assez longtemps, mais a une légère partie imaginaire. http://en.wikipedia.org/wiki/Particle_decay
Vous prétendez qu'il y a deux catégories distinctes ici, mais leur signature expérimentale est la même (elles se désintègrent dans le temps donné par Heisenberg et conservent $ E $ et $ p $). Comment savoir à quelle catégorie appartient une particule? Devient-il virtuel lorsque sa durée de vie est inférieure à 10 $ ^ {- 5} $ s, ou le muon est-il réel? Que diriez-vous de 10 $ ^ {- 10} $ s? Cela rendrait le $ K ^ 0 $ réel dans la forme longue mais virtuel dans le court; $ 10 ^ {- 12} $ s rend le tau virtuel. Mais cela empire ... la durée de vie du quark top est comparable à celle des bosons faibles. Est-ce le seul quark irréel?
En d'autres termes, le bit de masse «complexe» ressemble à un truc de comptabilité. Vous pouvez définir ce que vous voulez, mais vous devez me montrer un comportement expérimental différent.
Veuillez me donner une définition de ce que cela signifie qu'une particule virtuelle a une durée de vie de 10 $ ^ {- 12} s $. Elle ne peut pas être définie de manière cohérente avec la définition habituelle d'une particule virtuelle en tant que ligne interne d'un diagramme de Feynman. Les temps ne peuvent être associés de manière significative qu'aux objets qui ont un état, de sorte que l'on puisse former des probabilités, et les particules virtuelles n'ont pas cet état.
'' Comment savoir à quelle catégorie appartient une particule? '' La réponse est simple: si vous pouvez parler d'une manière expérimentalement significative de la durée de vie d'une particule, c'est toujours une particule instable et jamais une particule virtuelle. Voir la deuxième réponse publiée il y a à peine une minute.
Alors, désolé, le Z est-il virtuel ou non?Pourquoi y a-t-il alors un pic autour de la masse Z dans les collisions e + e-?
@SuperCiocia: On voit la signature d'une résonance;ce sont de vraies particules, non vitales.La largeur du pic donne à la masse une légère partie imaginaire.ce n'est pas ce que l'on aurait pour une particule virtuelle.
Merci beaucoup pour la réponse.Pourrait-il y avoir alors un boson Z virtuel?Le diagramme de Feynman e + e- à µ + µ- aurait-il la même apparence?
@SuperCiocia: Toutes les particules (y compris les quarks et les leptons) peuvent être virtuelles.Cela signifie que certains éléments de la matrice de la matrice S reçoivent des contributions de l'intégrale correspondant au diagramme de Feynman associé.Mais il ne faut pas mélanger cela avec le processus dynamique impossible où les particules virtuelles ont une existence éphémère.
OK, donc le diagramme de Feynman e + e- -> Z -> µ + µ- correspond en fait au processus physique?Que serait un diagramme de Feynman avec un boson Z virtuel?Merci.
@SuperCiocia: Non. Un diagramme de Feynman correspond à une contribution à un élément de matrice S.Il n'y a aucune dynamique implicite;le temps est éliminé par la limite impliquée par la définition de la matrice S;De plus, une contribution d'un seul diagramme n'a pas de sens, sauf au niveau de l'arbre, où elle définit l'approximation d'ordre le plus bas de la S-matrice.En général, seul l'élément S-matrice complet (somme de toutes les intégrales correspondant à tous les diagrammes de Feynman) a une signification physique, et seulement asymmptotiquement (transition entre longtemps avant la collision et longtemps après).
L'interprétation d'un diagramme de Feynman en termes de processus n'a aucun fondement dans le formalisme mathématique.
Puis-je continuer cette conversation dans un chat s'il vous plaît?
Laissez-nous [continuer cette discussion dans le chat] (http://chat.stackexchange.com/rooms/30978/discussion-between-superciocia-and-arnold-neumaier).
#3
+5
user566
2011-02-02 08:00:57 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Il me semble qu'il y a une confusion entre différents concepts, laissez-moi essayer d'éclaircir:

  1. La particule virtuelle est une particule qui ne vit pas éternellement, à un moment donné elle se convertit en autre chose. Comme Jeff le souligne, aucun de nous ne vit assez longtemps pour faire la différence, donc la distinction entre virtuel et non virtuel est une question de degré. Les particules qui vivent longtemps sont déclarées «réelles» et les particules qui se désintègrent rapidement sont dites «virtuelles». Ce ne sont que des noms, il n'y a aucune implication que les particules «virtuelles» n'existent pas vraiment, comme les licornes blanches et autres créatures mythiques, ce sont tous de vrais effets mesurables que vous pouvez voir de vos propres yeux ...

  2. Toute particule peut être réelle ou virtuelle, qu'elle soit massive ou non, qu'elle soit ou non porteuse de force bosonique, ou matière fermionique. Il y a un sens dans lequel les particules massives ont tendance à vivre moins longtemps (parce qu'elles ont plus de possibilités de se désintégrer), mais ce n'est qu'une règle de base.

  3. Hors shell peut être considéré ici comme synonyme de «virtuel».

J'espère que cela vous aidera.

Vous confondez les particules virtuelles et les particules instables. Je viens d'écrire ma propre réponse à la question qui explique les détails.
Cette réponse est fausse! Les particules «virtuelles» n'ont rien à voir avec la décomposition rapide. Il y a des électrons virtuels et des photons virtuels!
Il n'a pas dit qu'il devait se décomposer - il pouvait aussi s'annihiler ou quelque chose comme ça.
Cette réponse est fausse.Une particule "virtuelle" est une avec n'obéit pas à la relation d'Einstein $ m ^ 2 = E ^ 2-p ^ 2 $ - c'est-à-dire qu'elle n'est pas sur la "coque de masse" dans l'espace de moment.De telles particules ne peuvent exister que brièvement, et uniquement grâce au principe d'incertitude.


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 2.0 sous laquelle il est distribué.
Loading...