Particule virtuelle - Définition

Particules virtuelles et particules réelles

Les particules virtuelles sont-elles "spéciales" ? Est-ce que ce sont des particules différentes des particules réelles ? La réponse est non.

Voyons quels sont les points communs et les différences entre particules virtuelles et particules réelles.

• Les particules virtuelles et réelles sont identiques. Elles ont même masse propre, même spin, même charge électrique,... C’est-à-dire que toutes leurs propriétés intrinsèques sont les mêmes.
• Les particules virtuelles apparaissent puis disparaissent rapidement, contrairement aux particules réelles. Les particules réelles sont observées contrairement aux particules virtuelles dont l'existence éphémère ne concerne qu'une interaction entre deux autres particules (réelles ou virtuelles).
• Les particules virtuelles ne respectent pas la conservation de l'énergie. Pour une fluctuation dans le vide, par exemple, on a au départ une absence de particule, puis apparition d'une particule avec une certaine énergie puis disparition. La conservation de l'énergie est donc violée un bref instant compatible avec les relations d'incertitudes. L'énergie d'une particule virtuelle peut même être négative.

Mais ces différences sont-elles vraiment fondamentales ?

Regardons par exemple le processus d'interaction décrit par le diagramme de Feynman ci-dessus et considérons seulement la partie inférieure du diagramme.

Ce diagramme traduit l'interaction entre un photon réel et un électron réel. En fait, la particule est considérée comme virtuelle seulement si elle apparaît et disparaît au cours du processus. Tandis que si ce qui advient de la particule après le processus est ignoré, on considère la particule comme réelle.

En réalité, si l'on observe la particule avec un appareil de mesure, la particule réelle est également incluse entre deux interactions : une émission ou une interaction et une détection. Par exemple, le photon réel émis par le processus ci-dessus sera observé et donc absorbé par une molécule de nitrate d'argent d'une plaque photographique ou par interaction avec un électron comme dans le premier diagramme, à l'aide un détecteur photoélectrique.

Cette distinction virtuel - réel basée sur le fait que la particule n'existe que le temps du processus considéré est donc conventionnelle et dépend du point de vue.

De plus, la conservation parfaite de l'énergie dans le cas d'une particule réelle est une conséquence du temps "infini" de son existence. Ce qui est une idéalisation car toutes les particules (et cela est particulièrement flagrant pour les photons) naissent un jour et finissent un jour par disparaître, mais il est plus facile dans les calculs des diagrammes de Feynman de considérer que les particules entrant et sortant du diagramme sont réelles, de durée de vie infinie et d'énergie précise. Il est vrai qu'en pratique, les particules de la "vie courante" comme les électrons dans les atomes de la matière ordinaire peuvent exister un temps très long (des milliards d'années) et l'incertitude sur leur énergie est alors infinitésimale.

Il est plus facile de calculer les sections efficaces pour des énergies, des directions et des polarisations précises puis d'utiliser des distributions probabilistes pour les utiliser des situations plus réalistes.

Donc en réalité toutes les particules sont identiques, la désignation de virtuel et réel n'étant qu'une commodité théorique et pratique !

Les fluctuations du vide sont par définition toujours des particules virtuelles. Mais ces fluctuations n'interagissent quasiment jamais avec des particules réelles (même via l'interaction avec d'autres particules virtuelles), ce que l'on constate d'ailleurs dans les calculs de la théorie des champs car les "contributions du vide" s'annulent identiquement et ne contribuent pas aux processus.