Partícula virtual

En física de partículas, una partícula virtual es una partícula elemental que existe durante un tiempo tan corto que debido al principio de indeterminación de Heisenberg no es posible medir sus propiedades de forma exacta. El término «partícula virtual» se utiliza en contraposición a «partícula real» para explicar las infracciones que aquella parece cometer contra las leyes de conservación durante sus interacciones.

En el modelo estándar, las fuerzas fundamentales están transmitidas por los bosones de gauge. Cuando estos bosones transmiten las fuerzas son partículas virtuales, y son creados en el vacío.

Incluso en el vacío más perfecto, ya sea el que se cree en un laboratorio, el espacio intergaláctico, o el vacío interatómico, son creados continuamente bosones de gauge con una existencia extremadamente breve. La mecánica cuántica predice que la energía del vacío nunca puede llegar a ser cero. La energía menor posible del vacío se llama energía del punto cero, y es precisamente esta poca (aunque no nula) energía la de las partículas virtuales. Este modelo del vacío se llama vacío cuántico.

La transmisión de las fuerzas entre las distintas cargas de cada interacción está descrita por la teoría cuántica de campos, que describe cómo los bosones de gauge virtuales se transmiten a través del vacío polarizado entre las cargas reales.

Algunos de estos bosones también se presentan como partículas reales en distintos fenómenos:

Pero una cuestión aún a resolver es saber si todos los bosones de gauge sin masa que existen, incluidos los que arriba se exponen como reales, son al fin y al cabo virtuales. Estas partículas se mueven a la velocidad de la luz, y por tanto, atendiendo a la teoría de la relatividad de Albert Einstein, el tiempo que tardan en propagarse entre dos puntos cualesquiera del universo es instantáneo desde el punto de vista de las partículas. Entonces, al ser el tiempo de emisión y absorción instantáneo, ¿serían virtuales?

No solo surgen bosones de gauge en el vacío cuántico, sino también pares partícula-antipartícula; como por ejemplo pares electrón-positrón, o pares quark arriba-antiquark arriba, etc.

Siempre debe crearse una partícula con su antipartícula, conservándose así el número fermiónico (un número cuántico) del universo. Las partículas que surgen de este modo son virtuales porque en cuanto aparecen, tienen tan poca energía que al instante se aniquilan entre sí.

Cerca de cualquier tipo de partícula real que tenga algún tipo de carga asociada a cualquier tipo de interacción, las partículas virtuales que surgen en el vacío y tienen dicha carga se polarizan durante su corta existencia, dando lugar así a una polarización neta del vacío a su alrededor.

Tomemos como ejemplo un electrón real: los pares electrón-positrón virtuales que aparecen a su alrededor se polarizan: los electrones virtuales repeliéndose del real, y los positrones virtuales acercándose. El efecto total de la polarización del vacío es el de reducir la carga efectiva de la partícula real, fenómeno conocido como apantallamiento.

En el caso de los quarks reales, los quarks virtuales apantallan tanto la carga eléctrica como la carga de color; pero en este caso, gluones virtuales también se polarizan (al contrario que los fotones eléctricamente neutros en el caso del electrón). Los gluones tienen, dicho rápidamente, carga de color y de anticolor; y su polarización es opuesta a la de los pares de quarks-antiquarks virtuales, haciendo que la carga de color efectiva de la partícula real sea mayor cuanto más grande sea la distancia a la carga real. Este fenómeno contrario a lo que ocurría antes con el electrón se llama antiapantallamiento. El antiapantallamiento se pierde cuanto más cerca se está de la carga real, lo que da lugar a la libertad asintótica de los quarks.

El fenómeno de la producción de pares ocurre incluso en el borde del horizonte de sucesos de un agujero negro. Puede ocurrir que una de las partículas del par producido caiga dentro del agujero y que la otra se salve, convirtiéndose en una partícula real.

Como una de las partículas se ha vuelto real, se habría violado la ley de conservación de la masa y la energía. Pero esto no es así pues el agujero negro «paga», cediendo un poco de su propia energía a la realidad. El proceso continuado hace perder continuamente energía al agujero negro hasta que tras un tiempo directamente proporcional a la superficie del horizonte de sucesos el agujero desaparece completamente.

Este proceso se llama evaporación del agujero negro, y es causada por fotones que se vuelven reales. Estos fotones constituyen la denominada radiación de Hawking.