Бозоны W&Z виртуальны или нет?

Бозоны W и Z обнаружены/обнаружены. Но как переносчики силы бозоны должны быть виртуальными частицами, ненаблюдаемыми? А еще они требуют массы, но если они виртуальные, то могут быть вне оболочки, так виртуальные они или нет.

Если бы вы находились в системе с температурой выше электрослабой, вас окружало бы море вполне реальных бозонов W и Z.
Действительно? Они станут стабильными?
Их наблюдали в ускорителях частиц, поэтому они, безусловно, могут быть реальными.
@Noldorin: вы можете быть осторожны, связывая «наблюдаемость» с «реальностью» в этом контексте. Мы реконструируем слабые бозоны на оболочке по продуктам их распада, точно так же мы реконструируем слабые бозоны вне оболочки.
@dmckee: но был бы уровень энергии, на котором процесс распада был бы по существу обратимым, верно? В этот момент увидеть Z было бы так же вероятно, как увидеть пару электрон/позиция, на которую он распадется.
@Noldorin: Проверьте мой ответ, как это наблюдается в коллайдерах. Они не должны быть настоящими, и на самом деле они ими не являются.
Посмотрите на Z здесь pdg.lbl.gov/2014/hadronic-xsections/…

Ответы (3)

[Редактировать 2 июня 2016 г.: Значительно обновленную версию приведенного ниже материала можно найти в двух статьях https://www.physicsforums.com/insights/misconceptions-virtual-particles/ и https://www.physicsforums.com . /понимание/физика-виртуальные-частицы/ ]

Позвольте мне дать второй, более технический ответ.

Наблюдаемые частицы. В КТП наблюдаемые (следовательно, реальные) частицы с массой м условно определяются как связанные с полюсами S-матрицы при энергии Е знак равно м с 2 в остальной системе координат (Пескин/Шредер, Введение в КТП, стр. 236). Если полюс имеет реальную энергию, масса реальная и частица стабильна; если полюс находится при комплексной энергии (в аналитическом продолжении S-матрицы на второй лист), масса комплексна и частица неустойчива. При энергиях, превышающих действительную часть массы, мнимая часть определяет скорость ее распада и, следовательно, ее время жизни (Пескин/Шредер, стр. 237); при меньших энергиях нестабильная частица не может образоваться из-за недостатка энергии, но существование полюса обнаруживается резонансом Брейта-Вигнера в некоторых сечениях. По ее положению и ширине можно оценить массу и время жизни такой частицы до того, как она была обнаружена. Действительно, многие частицы, перечисленные в таблицахhttp://pdg.lbl.gov/2011/reviews/contents_sports.html Группой данных о частицах (PDG) — это только резонансы.


Стабильные и нестабильные частицы. Стабильная частица может быть создана и уничтожена, поскольку существуют связанные операторы создания и уничтожения, которые добавляют или удаляют частицы в состояние. Согласно формализму КТП, эти частицы должны находиться на оболочке. Это означает, что их импульс п связана с реальной массой покоя м по соотношению п 2 знак равно м 2 .
Точнее, это означает, что 4-мерное преобразование Фурье связанной с ним зависящей от времени одночастичной волновой функции имеет носитель, удовлетворяющий соотношению на оболочке п 2 знак равно м 2 . Нет необходимости, чтобы эта волновая функция была плоской волной, хотя они берутся в качестве базисных функций между элементами матрицы рассеяния.

Количественно нестабильная частица представлена ​​так называемым гамовским состоянием (см., например, http://arxiv.org/pdf/quant-ph/0201091.pdf ), также называемым состоянием Зигерта (см., например, http:/ /www.cchem.berkeley.edu/millergrp/pdf/235.pdf ) в комплексной деформации гильбертова пространства КТП, полученной аналитическим продолжением формул для стабильных частиц. В этом случае, как м сложна, массовая оболочка состоит из всех комплексных векторов импульса п с п 2 знак равно м 2 а также в знак равно п / м реальны, а состояния состоят исключительно из таких векторов импульса. Это представление, в котором можно взять предел нулевого распада, при котором частица становится стабильной (такой как нейтрон в пределе пренебрежимо малого электромагнитного взаимодействия), и, следовательно, представление, подходящее для режима, когда можно наблюдать неустойчивую частицу (т.е. решенные во времени).

Второе представление в терминах нормируемых состояний реальной массы дается суперпозицией состояний рассеяния продуктов их распада, включая все энергии в диапазоне резонанса Брейта-Вигнера. В этом стандартном представлении гильбертова пространства нестабильная частица никогда не образуется; так что это представление уместно в режиме, когда нестабильная частица проявляет себя только как резонанс.

Описание Z-бозона PDG 2010 года, http://pdg.lbl.gov/2011/reviews/rpp2011-rev-z-boson.pdf , обсуждает оба описания в количественных деталях (стр. 2: подход Брейта-Вигнера; стр. 4: S-матричный подход).

(добавлено 18 марта 2012 г.): Все наблюдаемые частицы находятся на оболочке, хотя массовая оболочка реальна только для стабильных частиц.


Виртуальные (или внеоболочечные) частицы. С другой стороны, виртуальные частицы определяются как внутренние линии на диаграмме Фейнмана (Пескин/Шредер, стр. 5, или Зейдлер, QFT I Основы математики и физики, стр. 844). и это их единственный способ существования. В недиаграммных подходах к КТП, таких как калибровочная теория решетки, даже невозможно понять понятие виртуальной частицы. Даже в ортодоксальной КТП можно полностью отказаться от понятия виртуальной частицы, т.к. 1 из книги QFT Вайнберга демонстрирует. Он представляет полное эмпирическое содержание КТП, тщательно избегая упоминания понятия виртуальных частиц.

Поскольку виртуальные частицы имеют реальную массу, но внеоболочечные импульсы, а многочастичные состояния всегда состоят только из частиц на оболочке, невозможно представить виртуальную частицу с помощью состояний. Состояния с виртуальными частицами не могут быть созданы из-за отсутствия в теории соответствующих операторов рождения.

Для описания распада требуется связанная S-матрица, но в формализме S-матрицы входное и выходное состояния состоят только из состояний на оболочке, без участия какой-либо виртуальной частицы. (Действительно, это причина названия «виртуальный».)

Из-за отсутствия состояния виртуальные частицы не могут иметь ни одной из обычных физических характеристик, таких как динамика, вероятность обнаружения или каналы распада. Как же тогда можно говорить об их вероятности распада, времени их жизни, их сотворения или их распада? Нельзя, разве что фигурально!


Виртуальные состояния. (добавлено 19.03.2012): В нерелятивистской теории рассеяния также встречается понятие виртуальных состояний, обозначающее состояния реальных частиц на втором листе аналитического продолжения, обладающих вполне определенной, но чисто мнимой энергией, определяемой как полюс S-матрицы. См., например, Тирринг, Курс математической физики, том 3, (3.6.11).

Термин виртуальное состояние используется в спектроскопии виртуального состояния в другом значении (см., например, http://people.bu.edu/teich/pdfs/PRL-80-3483-1998.pdf ) и обозначает там нестабильную энергию уровень выше порога диссоциации. Это эквивалентно понятию резонанса.

Виртуальные состояния не имеют ничего общего с виртуальными частицами, которые имеют реальные энергии, но не имеют ассоциированных состояний, хотя иногда с ними ассоциируется название «виртуальное состояние». См., например, https://researchspace.auckland.ac.nz/bitstream/handle/2292/433/02whole.pdf ; автор этой диссертации объясняет на стр. 20, почему это вводящая в заблуждение терминология, но все еще иногда использует эту терминологию в своей работе.


Почему виртуальные частицы часто путают с нестабильными частицами? Как мы видели, нестабильные частицы и резонансы наблюдаемы и могут быть количественно охарактеризованы в терминах состояний. С другой стороны, виртуальные частицы не имеют состояния и, следовательно, не имеют значимых физических свойств.

Это поднимает вопрос, почему виртуальные частицы часто путают с нестабильными частицами или даже отождествляют.

Я полагаю, что причина этого заключается в том, что во многих случаях доминирующий вклад в сечение рассеяния, проявляющее резонанс, вносит обмен соответствующей виртуальной частицей на диаграмме Фейнмана, наводящей на размышления о наборе мировых линий, описывающих рождение и аннигиляцию частиц. (Примеры можно увидеть на странице Википедии для бозонов W и Z, http://en.wikipedia.org/wiki/Z-boson .)

Эта пространственно-временная интерпретация диаграмм Фейнмана очень заманчива графически и способствует популярности диаграмм Фейнмана как среди исследователей, так и особенно среди неспециалистов, хотя некоторые авторы — особенно Вайнберг в своей книге КТП — намеренно сопротивляются этому искушению.

Однако эта интерпретация не имеет физической основы. Действительно, одна диаграмма Фейнмана обычно дает бесконечный (и, следовательно, физически бессмысленный) вклад в сечение рассеяния. Конечные перенормированные значения сечения получаются только суммированием бесконечного числа таких диаграмм. Это показывает, что диаграмма Фейнмана представляет собой просто некоторый член в расчете возмущения, а не процесс, происходящий в пространстве-времени. Следовательно, нельзя придавать физический смысл одной диаграмме, но в лучшем случае набору бесконечно многих диаграмм.


Истинный смысл виртуальных частиц. Для тех, кто все еще испытывает искушение придать физический смысл виртуальным частицам как конкретному квантовому явлению, позвольте мне отметить, что диаграммы фейнмановского типа возникают при любой пертурбативной трактовке статистических свойств множественных частиц, даже классически, как свидетельствует любой учебник по статистической механике.

В частности, статья http://homepages.physik.uni-muenchen.de/~helling/classical_fields.pdf показывает, что теория возмущений для любой классической теории поля приводит к разложению на диаграммы Фейнмана, очень похожие на диаграммы для квантовых теорий поля. , за исключением того, что встречаются только древовидные диаграммы. Если бы представление о виртуальных частицах, полученное из диаграмм Фейнмана, имело внутреннюю достоверность, то можно было бы заключить, что с каждым классическим полем связаны классические виртуальные частицы, ведущие себя точно так же, как их квантовые аналоги, за исключением того, что (из-за отсутствия петлевых диаграмм) отсутствуют виртуальные шаблоны создания/уничтожения. Но в литературе нельзя найти ни малейшего намека на разумную интерпретацию классической теории поля в терминах виртуальных частиц.

Причина такого сходства в классическом и квантовом случаях заключается в том, что диаграммы Фейнмана представляют собой не что иное, как графическое обозначение для записи произведений тензоров со многими индексами, суммированных по правилу суммирования Эйнштейна. Индексы результатов — это внешние линии, также известные как «реальные частицы», а суммированные индексы — это внутренние линии, также известные как «виртуальные частицы». Поскольку такие суммы произведений встречаются в любом многочастичном расширении ожиданий, они возникают независимо от классической или квантовой природы системы.


(добавлено 29 сентября 2012 г.)

Интерпретация диаграмм Фейнмана.

Неофициально, особенно в популярной литературе, виртуальные частицы рассматриваются как передающие фундаментальные силы в квантовой теории поля. Слабая сила передается виртуальными Zs и Ws. Сильное взаимодействие передается виртуальными глюонами. Электромагнитная сила передается виртуальными фотонами. Это «доказывает» существование виртуальных частиц в глазах их поклонников.

Физика, лежащая в основе этой образной речи, — это диаграммы Фейнмана, в первую очередь простейшие древовидные диаграммы, которые кодируют пертурбативные вклады взаимодействий низкого порядка в классический предел экспериментов по рассеянию. (Таким образом, они на самом деле являются проявлением классической теории поля возмущений, а не квантовых полей. Квантовые поправки включают по крайней мере одну петлю.)

Диаграммы Фейнмана описывают, как члены разложения в ряд элементов S-матрицы возникают при пертурбативной обработке взаимодействий как линейных комбинаций нескольких интегралов. Каждый такой кратный интеграл является произведением вкладов вершин и пропагаторов, и каждый пропагатор зависит от 4-импульсного вектора, по которому интегрируется. Кроме того, имеется зависимость от импульсов влетающих (подготовленных) и вылетающих (в принципе детектируемых) частиц.

Структура каждого такого интеграла может быть представлена ​​диаграммой Фейнмана. Это делается путем связывания с каждой вершиной узла диаграммы и с каждым импульсом линии; для входящих импульсов — внешняя линия, оканчивающаяся в узле, для исходящих импульсов — внешняя линия, начинающаяся в узле, а для импульсов пропагатора — внутренняя линия между двумя узлами.

Полученным диаграммам можно дать очень яркую, но поверхностную интерпретацию как мировым линиям частиц, претерпевающих метаморфозы (рождение, отклонение или распад) в вершинах. В этой интерпретации входящие и исходящие линии являются мировыми линиями подготовленных и обнаруженных частиц соответственно, а остальные называются виртуальными частицами, не являющимися реальными, но требуемыми этой интерпретацией. Эта интерпретация связана с интуицией Фейнмана 1945 года и действительно исторически возникла из-за того, что все частицы проходят все возможные пути с амплитудой вероятности, определяемой интегральной плотностью пути. К сожалению, такое представление естественно связано только с формальным ненормированным интегралом по траекториям. Но там все вклады диаграмм, содержащих петли, бесконечны, что не поддается вероятностной интерпретации.

Согласно определению в терминах диаграмм Фейнмана, виртуальная частица имеет определенные значения 4-импульса, спина и заряда, характеризующие форму и переменные в определяющем ее пропагаторе. Поскольку 4-импульс интегрирован по всем р 4 , ограничения на массовую оболочку нет, поэтому виртуальные частицы находятся вне оболочки.

Помимо этого, формальная квантовая теория поля не может приписать виртуальной частице какое-либо свойство или вероятность. Это потребовало бы приписать им состояния, для которых нет места в формализме КТП. Однако толкование требует, чтобы они существовали в пространстве и времени, поэтому им приписывают в воображении всевозможные чудесные свойства, довершающие картину до чего-то правдоподобного. (См., например, статью в Википедии о виртуальных частицах.) Облеченные нечетким представлением о квантовых флуктуациях, где соотношение неопределенностей Гейзенберга якобы позволяет на очень короткое время заимствовать энергию из квантового банка, эти свойства имеют поверхностный вид научных. Но они совершенно нефизичны, поскольку нет ни возможности проверить их экспериментально, ни возможности вывести их из формальных свойств виртуальных частиц.

Длинный список проявлений виртуальных частиц, упомянутых в цитируемой статье Википедии, на самом деле является проявлениями вычисленных матричных элементов рассеяния. Они демонстрируют правильность формул для кратных интегралов, связанных с диаграммами Фейнмана, но не справедливость утверждений о виртуальных частицах.

Хотя вычисления КТП обычно используют импульсное представление, существует также (физически бесполезное) преобразованное Фурье дополнительное изображение диаграмм Фейнмана, использующее пространственно-временные положения вместо 4-импульсов. В этой версии интегрирование происходит по всему пространству-времени, поэтому виртуальные частицы теперь имеют положение в пространстве-времени, но не имеют динамики и, следовательно, мировых линий. (В физике динамика всегда связана с состояниями и уравнением движения. Для виртуальных частиц такого не существует.)


Можно ли отличить реальные фотоны от виртуальных?

Существует широко распространенное мнение, что внешние ветви диаграмм Фейнмана на самом деле являются лишь внутренними сторонами более крупных диаграмм. Это стерло бы различие между реальными и виртуальными частицами, поскольку в действительности каждая нога является внутренней.

Основным аргументом в пользу этой точки зрения является тот факт, что фотоны, попавшие в глаз (и это свидетельствует о чем-то реальном), были произведены возбуждением от какого-то удаленного объекта. Эта точка зрения согласуется с представлением о создании или уничтожении фотонов как о том, что происходит в вершине, содержащей фотонную линию. С этой точки зрения следует, что Вселенная — это гигантская диаграмма Фейнмана со множеством петель, крошечной частью которой являемся мы и наши эксперименты.

Но одиночные диаграммы Фейнмана не имеют технического смысла. Только сумма всех диаграмм Фейнмана имеет предсказательную ценность, и малые из них вносят наибольший вклад — иначе мы не могли бы проводить какие-либо пертурбативные вычисления.

Более того, эта точка зрения противоречит тому, как на самом деле используются вычисления КТП. Элементы матрицы рассеяния всегда учитываются между частицами на оболочке. Все без исключения сравнения результатов КТП с экспериментами по рассеянию основаны на этих результатах на оболочке.

Это обязательно должно быть так, поскольку матричные элементы вне оболочки не имеют формального смысла: матричные элементы берутся между состояниями, а все физические состояния находятся на внутренней оболочке в соответствии с базовой структурой КТП. Таким образом, сама структура КТП проводит фундаментальное различие между реальными частицами, представляемыми состояниями, и виртуальными частицами, представляемыми только пропагаторами.

Основная проблема, опровергающая приведенный выше аргумент, заключается в предположении, что рождение и разрушение частиц в пространстве и времени можно отождествить с вершинами на диаграммах Фейнмана. Они не могут. Ведь диаграммы Фейнмана лишены каких-либо динамических свойств, а их интерпретация в пространстве и времени бесплодна.

Таким образом, мнение о том, что внешних линий в действительности нет, основано на поверхностном, заманчивом, но несостоятельном отождествлении теоретических понятий с очень разными свойствами.

Вывод состоит в том, что действительно реальные частицы (представленные внешними ногами) и виртуальные частицы (представленные внутренними ногами) являются совершенно отдельными понятийными образованиями, четко различающимися по своему значению. В частности, никогда не превращает одно в другое и не влияет одно на другое.

очень хорошо. Я надеялся, что кто-нибудь напишет что-то подобное, чтобы мне не пришлось делать это самому.
Я думаю, вы правы, что это вопрос определений. Я видел эту словесную борьбу уже много раз. Некоторые люди узнали, что виртуальная частица по определению является внутренней линией на диаграмме Фейнмана. Другие узнали, что виртуальная частица по определению является частицей вне массовой оболочки. Вместо того, чтобы спорить о правильном определении, полезнее объяснить разницу между двумя определениями.
Наконец, есть третье определение, более популярное и менее научное. «Виртуальная частица» неявно определяется этими тремя утверждениями: «Слабое взаимодействие передается виртуальными Zs и Ws. Сильное взаимодействие передается виртуальными глюонами. Электромагнитное взаимодействие передается виртуальными фотонами». Утверждения, подобные этому, часто встречаются в популяризация и общая пресса. Согласно этому определению, радио и телевидение работают на реальных фотонах, а магниты холодильников и электродвигатели работают на виртуальных фотонах. Я хотел бы видеть тщательное сравнение всех трех определений.
@Jim: внутренняя линия = вне массовой оболочки. Нельзя записать физическое состояние частицы вне оболочки. Это моя точка зрения. Они не могут существовать в том смысле, что обладают предсказуемыми свойствами помимо тех, которые уже закодированы в их определении. - Сравнение, выходящее за рамки того, что я дал, почти невозможно, поскольку нельзя спорить о свойствах нечетко определенных объектов. Из-за этой неопределенности возникают бесконечные дискуссии (примеры см. в моем FAQ); это уже не физика в строгом смысле.
Попытка примирить виртуальные частицы (независимо от того, какое из ваших трех определений) с чем-то, обладающим свойствами, о которых можно говорить с некоторой точностью, — это открыть банку с червями. Приходится делать множество необоснованных предположений, основанных на правдоподобии, и делать это можно по-разному. Это слишком размытое понятие, чтобы можно было выделить определенные свойства.
@ArnoldNeumaier Мне было бы интересно, согласны ли вы с тем, что в описании S-матрицы единственные внешние линии могут быть стабильными, нераспадающимися частицами? ведь нестабильные частицы не могут быть перемещены на -бесконечность во времени, поэтому нестабильные частицы никогда не могут появиться в матрице рассеяния в виде начальных или конечных состояний, т.е. внешних линий на диаграммах Фейнмана.
@luksen: В ортодоксальной теории внешние линии соответствуют только стабильным частицам и связанным состояниям. Однако ортодоксальный формализм может быть аналитически продолжен до комплексных энергий, но реальных п / Е , а затем допускаются и нестабильные частицы.
Этот ответ не является хорошим. Виртуальные частицы не являются нефизическими, и так их характеризовать неправильно. Ряд возмущений можно переформулировать в терминах траекторий частиц, и эти траектории можно рассматривать как движущиеся и сталкивающиеся частицы, и это не является неправильным, несмотря на неприятие этого Вайнбергом. В нерелятивистской теории поля конденсированных сред эффективные частицы, такие как фононы, могут быть виртуальными, хотя в этом случае виртуальные частицы, подчиняющиеся уравнению Шредингера, эквивалентно описываются реальными частицами, движущимися по фейнмановским траекториям.
@RonMaimon: одна диаграмма Фейнмана (таким образом, диаграмма, которую можно интерпретировать как реальный путь) дает бесконечный вклад в амплитуду, если она содержит петлю. Физические результаты получаются только после перенормировки, сокращающей группы диаграмм. В решетчатых калибровочных теориях нельзя даже говорить о диаграммах; так как же они могут иметь физический смысл?
@ArnoldNeumaier: Это не проблема (по крайней мере, в ультрафиолетовом диапазоне --- инфракрасные расхождения являются настоящей проблемой, здесь их гораздо сложнее решить), расхождения возникают из-за распространения частиц на короткие расстояния. На решетке вклад конечен и равен сумме по решеточным путям. Когда вы берете континуальный предел, вам нужно учитывать континуальные пути плюс встречные вклады, так что электрон, испускающий и поглощающий фотон на расстоянии ϵ просто есть коррекция массы, и отсечка на ϵ ≈ 1 мю коррекция нулевая.
О да, но стандартная модель касается континуума, тогда как решетка математически почти тривиальна по сравнению с континуумом. Более того, в решетчатой ​​модели у вас даже нет направления во времени, поэтому вы не можете интерпретировать диаграммы с точки зрения путей во времени. Воображаемое время физически лишено смысла. Более того, один конечный перенормированный член уже составлен из нескольких диаграмм Фейнмана, поэтому одна диаграмма ничего не значит.
@Арнольд Ноймайер, как взаимодействующие наблюдаемые частицы вписываются в вашу картину? Такие частицы немного вне оболочки и, следовательно, не только наблюдаемы, но и виртуальны.
@ user1247: Нет. Наблюдаемые частицы являются асимптитическими в смысле теории рассеяния, следовательно, на оболочке. Резонансы — это настоящие частицы, слишком короткие, чтобы их можно было наблюдать, но они имеют четко определенную комплексную массу. Это не зависит от взаимодействия; все реальные частицы взаимодействуют. Напротив, виртуальные частицы находятся вне оболочки, т. е. имеют реальную массу, нарушающую ограничение массы оболочки. Они являются мнемоникой для распространителей и не имеют наблюдаемого свойства, которое можно было бы проверить экспериментально.
@ Арнольд Ноймайер, но в теории рассеяния внешние ноги считаются плоскими волнами на оболочке, что является приближением. Насколько я понимаю, на самом деле они немного вне оболочки (и, конечно, не плоские волны) из-за конечного времени жизни (его измеренная энергия может быть вне оболочки, если Δ Е Δ т < ℏ )
@ user1247: Матрица рассеяния — это оператор. КТП воздействует на плоские волны. Отсюда можно определить действие оператора рассеяния на произвольные состояния, взяв соответствующие линейные комбинации и пределы. Таким образом, нет никакого приближения.
@ Арнольд Ноймайер, теперь вы говорите об описании «наблюдаемых частиц» даже после измерения как находящихся в суперпозиции различных состояний определенного импульса плоской волны, другими словами, вы больше не описываете частицу с измеримыми свойствами, вы фактически описываете суммирование виртуальных состояний.
@ user1247: Нет. Отдельная частица может находиться в любом одночастичном состоянии, а не только в состоянии плоской волны. Никакого суммирования по виртуальным состояниям не требуется.
Я очень симпатизирую вашей точке зрения, но я думаю, что вам следует добавить обсуждение, касающееся вездесущего канонического описания «внешних ног», которые на самом деле являются внутренними ногами больших диаграмм, поскольку в действительности фотон, попавший в ваш глаз, был произведен в некоторой вершине. и заканчивалась на некоторой вершине. Это очень популярное мнение, которое содержится в большинстве текстов, таких как Гриффитс, поэтому было бы разумно с вашей стороны обратиться к нему. Вы говорите, что виртуальные частицы не обладают наблюдаемыми свойствами, однако это неверно для частицы, бесконечно малой вне оболочки, иначе континуальный предел не имел бы смысла.
@ user1247: Я дополнил свой ответ, чтобы решить вашу первую проблему. - Я не понимаю второго беспокойства. КТП — теория континуума; нет необходимости брать континуальный предел, за исключением случаев, когда используется статистика с приближением решетки.
Я сформулировал это лениво, я имел в виду предел, в котором "внешность" стремится к нулю. Вы утверждаете, что бесконечно малая частица вне оболочки не имеет измеримых свойств, но это просто не имеет смысла: если вы принимаете предел, вы должны получить частицу на оболочке с наблюдаемыми свойствами.
Спасибо @RonMaimon, мне очень интересно узнать больше о виртуальных частицах и диаграммах Фейнмана в пространстве-времени. Не могли бы вы расширить свой первый комментарий к этому ответу или дать мне какую-нибудь ссылку (пост, книгу, статью и т. д.)? Я знаю, как выразить пропагатор евклидова поля через интеграл по путям релятивистской частицы, но не более того.
@drake: Может быть, книга Полякова "Калибровочные поля и струны". Я не знаю подходящей ссылки, потому что наличие корректного и непротиворечивого формализма поля препятствует развитию формализма частиц, который был бы полным и непротиворечивым, поэтому сейчас у нас есть только пертурбативный формализм. Я не думаю, что это естественно, но никто не работает над этим, и я не знаю, стоит ли награда затраченных усилий. Проблема в том, что в формализме частиц взаимодействия не идут вперед в собственном времени, частицы взаимодействуют, когда они приходят в одну и ту же точку пространства-времени в любое собственное время.
Хорошо, спасибо @RonMaimon, но этого нет в книге Полякова. Диаграмма Фейнмана за пределами древовидного уровня, использующая этот формализм, могла бы помочь. Я даже не знаю, как записать пропагатор Фейнмана нескалярного поля в терминах релятивистского пути частицы.
Ну, я думаю, это тривиально для частиц со спином...
@Арнольд Ноймайер, спасибо за ваш ответ и пояснения на других сайтах. Еще одна тема, которую, я думаю, вы могли бы включить в свое объяснение: если виртуальные частицы являются не чем иным, как полезными инструментами для организации пертурбативных расширений, то почему их массы (в смысле m, используемого в пропагаторе) 1 п 2 + м 2 всегда соответствуют массам реальных частиц, чем существуют. Конечно, это не может быть совпадением, иначе это действительно придало бы вес аргументу о том, что виртуальные частицы связаны с реальными частицами?
@AlexGower: массы в пропагаторе - это голые массы, а не физические массы частиц. Последние появляются только как полюса перенормированного (одетого) пропагатора!
@ Арнольд Ноймайер, это то, что вы имели в виду в своей статье о том, что пропагаторы могут выявить полюса, в которых могут существовать настоящие частицы, даже если они сами не настоящие?
@Арнольд Ноймайер, мой единственный оставшийся вопрос после прочтения вашей превосходной статьи касается нестабильных частиц. Вы говорите, что вы можете представить их (в пределе 0-распада) как состояния с комплексной массой, но разве мнимая часть массы не инкапсулирует распад, так как это может быть в пределе 0-распада? Вы также говорите, что можете альтернативно представить их как суперпозицию состояний рассеяния продуктов распада, означает ли это, что вы можете гипотетически представить нейтрон как суперпозицию продуктов его распада (даже если другое представление лучше подходит, возможно ли это) ?
@AlexGower: в пределе нулевого распада частица становится стабильной. Нестабильная частица, конечно, имеет ненулевую мнимую часть. Аналитическое продолжение перенормированных пропагаторов может иметь на втором листе комплексные полюса, дающие неустойчивые частицы. Гильбертово пространство КЭД с голыми нуклонами не содержит асимптотических состояний, соответствующих физическому нейтрону, поскольку оно распадается. Он должен быть представлен как суперпозиция продуктов его распада, если вам нужна волновая функция, интегрируемая с квадратом - представление Зигерта/Гамова как нестабильное состояние не является интегрируемым с квадратом.
@Арнольд Ноймайер, еще раз спасибо. Моя главная проблема связана с историей о Юкаве, который после моделирования сильного взаимодействия с использованием потенциала Юкавы увидел, что это будет эквивалентно виртуальным частицам с массой от 100 до 200 МэВ, и затем использовал это, чтобы предсказать существование реальных частиц. частиц с такой массой. Мой вопрос заключается в следующем: если виртуальные частицы не имеют массовой оболочки, то почему предсказание виртуальной частицы с определенной массой может привести к возникновению какой-либо причины для существования аналогичной реальной частицы с такой же массой?
@AlexGower: В то время (до Фейнмана) название «виртуальные частицы» использовалось для всего вне оболочки, если его нельзя было наблюдать как частицу. Сюда входят резонансы, видимые только как пики в сечениях рассеяния (при энергиях ниже реальной части массы нестабильной частицы); выше этой энергии они наблюдаются как частицы. Но сегодня это плохая терминология, поскольку эти резонансы не имеют ничего общего с виртуальными частицами, как они определены в книгах по квантовой теории поля, где определение виртуальных частиц всегда дается в терминах диаграмм Фейнмана.
@Арнольд Ноймайер, да, это имеет смысл. В заключение, просто чтобы пояснить, что вы имели в виду, когда сказали: «Гильбертово пространство КЭД с голыми нуклонами не содержит асимптотических состояний, соответствующих физическому нейтрону, поскольку оно распадается. Оно должно быть представлено как суперпозиция продуктов его распада. если вам нужна квадратичная интегрируемая волновая функция.». Если нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино, значит ли это, что вы должны представлять волновую функцию как суперпозицию этих частиц? Означает ли это, что нейтрон всегда представлен как их комбинация?
Да, да - если вы хотите представить его волновой функцией, интегрируемой с квадратом. В подходе с оснащенным гильбертовым пространством можно учесть другие граничные условия и, следовательно, использовать состояния Зигерта для нейтрона.

Все наблюдаемые частицы являются реальными частицами в том смысле, что, в отличие от виртуальных частиц, их свойства поддаются экспериментальной проверке. В частности, бозоны W и Z являются реальными, но нестабильными частицами с энергиями выше энергетического эквивалента их массы покоя. Они также возникают как ненаблюдаемые виртуальные частицы при обработке рассеяния, обмениваясь бозоном W или Z, хотя существование соответствующей диаграммы обмена видно экспериментально как резонанс.

Виртуальные частицы и нестабильные (т.е. короткоживущие) частицы концептуально очень разные объекты. Поскольку, по-видимому, существует широко распространенная путаница в отношении значения терминов (и поскольку Википедия в этом отношении весьма ненадежна), позвольте мне дать точные определения некоторых терминов:

Стабильная, наблюдаемая (и, следовательно, реальная в указанном выше смысле) частица имеет реальную массу м и настоящий 4-импульс п удовлетворяющий п 2 знак равно м 2 ; один также говорит, что он находится в оболочке. Для таких частиц можно вычислить элементы S-матрицы и, согласно квантовой теории поля, только для таких частиц. В пертурбативных расчетах стабильные частицы точно соответствуют внешним линиям диаграмм Фейнмана, на которых основана теория возмущений. Лишь немногие элементарные частицы стабильны и, следовательно, могут быть связаны с такими внешними линиями. (Однако в подтеориях стандартной модели, которые игнорируют некоторые взаимодействия, частицы, нестабильные в природе, могут быть стабильными; таким образом, это понятие немного зависит от контекста.)

Виртуальная частица имеет реальный импульс с п 2 ≠ м 2 (также говорят, что они вне оболочки) и не могут существовать, поскольку это нарушило бы закон сохранения энергии. В пертурбативных вычислениях виртуальные частицы точно соответствуют внутренним линиям диаграмм Фейнмана, на которых основана теория возмущений, и являются только визуальной мнемоникой для интегрирования по 4-импульсам, не ограниченным массовой оболочкой. В непертурбативных методах расчета свойств частиц нет понятия виртуальных частиц; они являются артефактом теории возмущений.

Виртуальные частицы никогда не наблюдаемы. У них нет свойств, которым можно было бы каким-либо формально осмысленным образом приписать динамику и, следовательно, какое-то существование во времени. В частности, бессмысленно думать о них как о короткоживущих объектах. (Утверждение, что они появляются и исчезают в течение времени, разрешенного принципом неопределенности, не имеет под собой никаких оснований ни в каком динамическом смысле — это чистая спекуляция, основанная на иллюстрациях для необразованной публики и на широко распространенном непонимании того, что внутренние линии на диаграммах Фейнмана описывают частицы. траектории в пространстве-времени).

Все элементарные частицы могут проявляться как внутренние линии в пертурбативных вычислениях и, следовательно, иметь виртуальную версию. Для более подробного обсуждения виртуальных частиц см. Главу A8: Виртуальные частицы и флуктуации вакуума моего FAQ по теоретической физике .

Нестабильная наблюдаемая (и, следовательно, реальная в указанном выше смысле) частица имеет комплексную массу м и сложный 4-импульс п удовлетворяющий п 2 знак равно м 2 . (В этом случае не следует использовать термин «внутри оболочки» или «вне оболочки», так как это становится двусмысленным). Мнимая часть массы связана с периодом полураспада частицы. При энергиях ниже энергии Е знак равно р е   м с 2 нестабильные элементарные частицы наблюдаются как резонансы в сечениях процессов рассеяния с обменом ими как виртуальными частицами, а при более высоких энергиях они наблюдаются как треки частиц (если они заряжены) или как щели в треках частиц; в последнем случае их можно идентифицировать по следам их заряженных продуктов.

Для нестабильных частиц элементы S-матрицы можно вычислить только в приближенных теориях, где частица рассматривается как устойчивая, или путем аналитического продолжения стандартных формул для стабильных частиц на комплексные энергии и импульсы.

Ваше различие между "виртуальной частицей" ( п 2 ≠ м 2 серьезно м а также п ) и «нестабильная наблюдаемая» ( п 2 знак равно м 2 , но м сложный) вроде бы без разницы. И какое место в этой картине занимает свободный нейтрон? Он нестабилен, но явно реален и имеет очень точно измеримую массу (а протон тем более, если он на самом деле нестабилен).
Нет разницы между реальной и комплексной массой?? - Нейтрон - нестабильная неэлементарная частица. Как и всякая нестабильная частица, это реальная частица, в соответствии с тем, что я написал. Его масса почти действительна, так как он достаточно долгоживущий, но имеет незначительную мнимую часть. en.wikipedia.org/wiki/Particle_decay
Вы утверждаете, что здесь есть две различные категории, но их экспериментальная сигнатура одна и та же (они распадаются во времени, указанном Гейзенбергом, и сохраняют Е а также п ). Как узнать, к какой категории принадлежит частица? Становится ли он виртуальным, когда его срок службы ниже 10 − 5 с, или мюон реален? Как насчет 10 − 10 с? Это сделало бы К 0 реальный в длинной форме, но виртуальный в краткой; 10 − 12 s делает тау виртуальным. Но бывает и хуже... время жизни топ-кварка сравнимо со временем жизни слабых бозонов. Это единственный нереальный кварк?
Другими словами, бит «сложной» массы выглядит как бухгалтерский трюк. Вы можете определить, что хотите, но вы должны показать мне другое экспериментальное поведение.
Пожалуйста, дайте мне определение того, что означает, что виртуальная частица имеет время жизни 10 − 12 с . Его нельзя определить в соответствии с обычным определением виртуальной частицы как внутренней линии диаграммы Фейнмана. Времена могут быть осмысленно связаны только с объектами, имеющими состояние, так что можно формировать вероятности, а виртуальные частицы лишены такого состояния.
«Как мне узнать, к какой категории принадлежит частица?» Ответ прост: если можно экспериментально осмысленно говорить о времени жизни частицы, то это всегда нестабильная частица, а не виртуальная частица. Смотрите второй ответ, опубликованный всего минуту назад.
Итак, извините, Z виртуальный или нет? Почему тогда в е+е-столкновениях наблюдается пик вокруг массы Z?
@SuperCiocia: можно увидеть сигнатуру резонанса; это реальные частицы, а не витальные. Ширина пика придает массе небольшую мнимую часть. это не то, что можно было бы иметь для виртуальной частицы.
Большое спасибо за ответ. Мог ли тогда существовать виртуальный Z-бозон? Однако диаграмма Фейнмана от e+e- до µ+µ- будет выглядеть так же?
@SuperCiocia: все частицы (включая кварки и лептоны) могут быть виртуальными. Это означает, что некоторые матричные элементы в S-матрице получают вклады от интеграла, соответствующего ассоциированной диаграмме Фейнмана. Но не следует путать это с невозможным динамическим процессом, когда виртуальные частицы имеют мимолетное существование.
Итак, диаграмма Фейнмана e+e- -> Z -> µ+µ- действительно соответствует физическому процессу? Какой будет диаграмма Фейнмана с виртуальным Z-бозоном? Спасибо.
@SuperCiocia: Нет. Диаграмма Фейнмана соответствует вкладу в элемент S-матрицы. Никакой динамики вообще не подразумевается; время исключается через предел, подразумеваемый определением S;-матрицы. Более того, вклад от одной диаграммы не имеет смысла, кроме как на уровне дерева, где он определяет низшую аппроксимацию S-матрицы. В общем случае физический смысл имеет только полный элемент S-матрицы (сумма всех интегралов, соответствующих всем диаграммам Фейнмана), и только асимптотически (переход между задолго до столкновения и задолго после него).
Интерпретация диаграммы Фейнмана с точки зрения процесса не имеет никакой основы в математическом формализме.
Могу ли я продолжить этот разговор в чате, пожалуйста?

Мне кажется, что есть путаница между различными понятиями, позвольте мне попытаться прояснить это:

  1. Виртуальная частица не живет вечно, на каком-то этапе она преобразуется во что-то другое. Как отмечает Джефф, никто из нас не живет достаточно долго, чтобы заметить разницу, поэтому различие между виртуальным и не виртуальным — это вопрос степени. Частицы, которые живут долго, объявляются «настоящими», а частицы, которые быстро распадаются, называются «виртуальными». Это только названия, нет никакого намека на то, что "виртуальные" частицы не существуют на самом деле, как белые единороги и другие мифические существа, это все реальные измеримые эффекты, которые вы можете увидеть своими глазами...

  2. Любая частица может быть как реальной, так и виртуальной, независимо от того, массивна она или нет, является переносчиком бозонной силы или фермионной материей. В некотором смысле массивные частицы имеют тенденцию жить короче (потому что у них больше возможностей для распада), но это всего лишь эмпирическое правило.

  3. Вне оболочки можно считать здесь синонимом слова «виртуальный».

Надеюсь, это поможет.

Вы путаете виртуальные частицы и нестабильные частицы. Я только что написал свой собственный ответ на вопрос, который объясняет детали.
Этот ответ неверен! «Виртуальные» частицы не имеют ничего общего с быстрым распадом. Есть виртуальные электроны и виртуальные фотоны!
Он не говорил, что оно должно разлагаться — оно также может аннигилировать или что-то в этом роде.
Этот ответ неверен. «Виртуальная» частица — это частица, не подчиняющаяся соотношению Эйнштейна. м 2 знак равно Е 2 − п 2 — то есть дело не в «массовой оболочке» в импульсном пространстве. Такие частицы могут существовать недолго и только благодаря принципу неопределенности.
Бозоны W&Z виртуальны или нет?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v