¿De qué está "hecha" una partícula virtual?

A2A*. Buena pregunta, aunque difícil de responder. Voy a dar una respuesta propia y que tal vez algunos encuentren debatible. Para empezar, debemos decir que las “partículas virtuales” no son “reales”. Esto parece una obviedad, pero tiene serias consecuencias físicas: las partículas virtuales no son detectables físicamente, por lo que, en cierta manera, no existen físicamente (aunque muchos físicos piensan de que de alguna manera “existen” por un breve instante en forma de fluctuaciones de cierto campo cuántico).

Mi opinión es que todo encaja mejor si pensamos en las partículas virtuales como una metáfora útil para representarnos ciertos procesos físicos y también, y esto es lo más importante, es una herramienta de cálculo útil. En teoría cuántica de campos, los cálculos se hacen usualmente de manera perturbativa: considerando una situación base y sumando contribuciones o “perturbaciones” adicionales, cada una de estas contribuciones adicionales se calcula mediante un diagrama de Feynman que incluye líneas que representan partículas virtuales. No necesitamos asumir nada sobre las partículas virtuales, la realidad es que no podemos detectarlas directamente, pero pensar en ellas como artificio de cálculo o conceptualización intuitiva resulta útil.

Para dar un pequeño ejemplo mostraré un esquemita de Feynman. Por ejemplo si pretendo calcular cuánticamente como se repelen dos electrones el diagrama de menor orden posible (el que tiene un mayor peso en el efecto calculado) es este:

El diagrama representa dos electrones reales, que se acercan y cuando están cerca intercambian un fotón virtual (la línea ondulada), a efectos de cálculo el fotón virtual tiene masa por ejemplo, algo que no observamos en la realidad. El resultado se conoce como dispersión de Møller, y es el análogo cuántico de la dispersión de electrones por parte de electrones de la misma carga. Si los electrones se disparan uno contra otro se verá que ambos de deflectan un ángulo, y la sección eficaz predicha por la teoría cuántica de campos vendrá dada:

dσdΩ=(αℏc)28E2[1+cos4(θ/2)sin4(θ/2)+2sin2(θ/2)cos2(θ/2)+1+sin4(θ/2)cos4(θ/2)]dσdΩ=(αℏc)28E2[1+cos4⁡(θ/2)sin4⁡(θ/2)+2sin2⁡(θ/2)cos2⁡(θ/2)+1+sin4⁡(θ/2)cos4⁡(θ/2)]

donde EE representa la energía de los electrones, θθ representa el ángulo de deflexión y αα la constante de estructura fina del electromagnetismo. La verificación experimental de esta ecuación constituye un éxito de la teoría cuántica de campos, y el cálculo se lleva a cabo asumiendo que existe un fotón virtual con masa intercambiado. Aunque el fotón virtual con masa es inobservable los cálculos hechos conceptualizándolo como un artificio de cálculo si han sido bien corroborados.

Dado que en la electrodinámica cuántica el artificio de los fotones virtuales funcionó la noción de partícula virtual se popularizó y siguió siendo usada en otros contextos Eso sí el estatus epistémicos de estas partículas virtuales es discutido: para algunos son cosas que existen pero no son observables, mi opinión es que son artificios de cálculo que no representan de manera realista el proceso real.