Безмассовые частицы

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Безмассовые частицы (люксо́ны[1]) — частицы, масса покоя которых равна нулю. Не имеют аналога в нерелятивитской механике.[2]

Любая безмассовая частица может двигаться только со скоростью света. Это следует из того, что, согласно теории относительности, скорость частицы определяется через её импульс , массу и скорость света соотношением , где  — энергия частицы. В случае безмассовой частицы , тогда и, из уравнения получаем .[2] Такая частица не может находиться в состоянии покоя: она может родиться (быть излучена), двигаться со скоростью света, затем уничтожиться (поглотиться).

Безмассовые частицы описываются неприводимыми представлениями группы Пуанкаре. Из этого следует, что они не могут находится в состоянии с нулевой энергией.[3] Также из этого следует, что значения спина безмассовых частиц могут быть только целыми или полуцелыми.[4]

Термин «безмассовая» не вполне точно отражает природу такой частицы. Согласно принципу эквивалентности массы и энергии, безмассовая частица с энергией переносит эквивалентную ей массу , которая не связана с её нулевой массой покоя. Масса физической системы, излучающей безмассовую частицу, в момент излучения уменьшается на величину , а масса физической системы, поглотившей безмассовую частицу, в момент поглощения увеличивается на величину . Вследствие принципа эквивалентности инертной и гравитационной массы, все безмассовые частицы участвуют в гравитационном взаимодействии.[5]

Безмассовые частицы обладают особой сохраняющейся лоренц-инвариантной величиной — спиральностью. Спиральность является проекцией спина частицы на её импульс.[6][7] Если неприводимое безмассовое поле задаётся представлением группы Лоренца , то кванты его — безмассовые частицы спиральности (теорема Вайнберга о спиральности).[8]

Одно из важных различий между массивными и безмассовыми частицами со спином состоит в том, что массивные частицы со спином имеют состояний поляризации , а для безмассовой частицы со спином возможно лишь два состояния поляризации , которые и являются её спиральностью.[7]

Для всех безмассовых частиц понятия внутренней чётности не существует.[9]

Для безмассовых частиц с ненулевым спином понятия орбитального момента импульса не существует. [10]

Объяснение отсутствия в природе безмассовых частиц с нулевым спином является нерешённой проблемой теоретической физики.[7]

Скорость виртуальных частиц, в том числе безмассовых, не имеет физического смысла. Это следует из того, что скорость частицы определяется через её импульс , энергию и скорость света соотношением .[2] Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода импульс , энергия . При подстановке в формулу этих значений для скорости получается бесконечно большая величина.

Масса виртуальных частиц, в том числе безмассовых, не имеет физического смысла. Это следует из соотношения между массой , энергией , импульсом и скоростью света .[11] Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, импульс , энергия . При подстановке в формулу этих значений для массы получается мнимая величина.

Известные безмассовые частицы[править | править вики-текст]

  • Фотоны. Единственная вполне достоверно существующая безмассовая частица. Экспериментально подтверждены и её существование, и безмассовость, к тому же весьма сильно аргументированные экспериментально (отличие массы фотона от нуля привело бы к дисперсии электромагнитных волн в вакууме, что размазало бы по небу наблюдаемые изображения галактик) и теоретически (в квантовой теории поля доказывается, что если бы масса фотона не равнялась нулю, то электромагнитные волны имели бы три, а не два поляризационных состояния вследствие того, что массивные частицы со спином имеют состояний поляризации , а для безмассовой частицы со спином возможно лишь два состояния поляризации , спин фотона [7]).[12][5] Впрочем, со стороны эксперимента и наблюдений можно, конечно же, говорить только об ограничении сверху на массу (наблюдения галактических магнитных полей дают величину комптоновской длины волны фотона см, что даёт верхнюю оценку массы фотона грамм.[13]) Аналогом состояний c определёнными значениями орбитального момента импульса для фотона являются фотонные мультиполи.[10]
  • Глюоны. Если глюоны существуют, то они являются безмассовыми, но до сих пор их существование может находиться под некоторым сомнением, так как есть некоторые (не слишком большие) сомнения в теории, где они теоретически вводятся — квантовой хромодинамике, а в свободном виде глюоны не наблюдаются (судя по всему, так и должно быть в полном соответствии с теорией, но математически последнее не доказано).
  • Гравитоны. Если гравитоны существуют, то они точно являются безмассовыми частицами, точнее — их масса должна быть по крайней мере весьма мала — это следует из закона всемирного тяготения и наблюдений за двойными пульсарами. Наблюдения за затуханием орбитального движения в двойных пульсарах косвенно подтверждают существование предсказываемых общей теорией относительности гравитационных волн, а количественное совпадение данных этих наблюдений с предсказаниями общей теории относительности указывает, что верхний предел массы гравитона определяется частотой Гц, связанной с периодом орбитального движения часов, см, что даёт верхнюю оценку массы гравитона грамм.[14] Но вопрос об их существовании остаётся открытым в том смысле, что они не были экспериментально обнаружены и вряд ли будут обнаружены в обозримом будущем как индивидуальные частицы. Гравитационные волны, являющиеся (теоретически) первым реально наблюдаемым проявлением невиртуальных гравитонов, были открыты на практике.

Ранее считались[править | править вики-текст]

  • Нейтрино. Долгое время считалось, что нулевой массой покоя обладают нейтрино. Однако в настоящее время многочисленные осцилляционные эксперименты с солнечными, атмосферными, реакторными и ускорительными нейтрино надёжно продемонстрировали наличие у них малой, но ненулевой массы покоя (меньше 0,28 эВ, но не нулевая у всех ароматов (νe, νμ, ντ)[15][16][17]).

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Кафедра физики космоса
  2. 1 2 3 Широков, 1972, с. 16.
  3. Румер, 2010, с. 231.
  4. Румер, 2010, с. 233.
  5. 1 2 Ширков, 1980, с. 451.
  6. Яворский, 2007, с. 973.
  7. 1 2 3 4 Румер, 2010, с. 234.
  8. Румер, 2010, с. 240.
  9. Широков, 1972, с. 67.
  10. 1 2 Широков, 1972, с. 148.
  11. Широков, 1972, с. 15.
  12. Широков, 1972, с. 240.
  13. Окунь, 2005, с. 178.
  14. Рубаков В. А., Тиняков П. Г. «Модификация гравитации на больших расстояниях и массивный гравитон», УФН, 178, с. 813, (2008)
  15. Astronomers Accurately Measure the Mass of Neutrinos for the First Time. scitechdaily.com (February 10, 2014). Проверено 7 мая 2014. Архивировано из первоисточника 7 мая 2014.
  16. Foley, James A. Mass of Neutrinos Accurately Calculated for First Time, Physicists Report. natureworldnews.com (February 10, 2014). Проверено 7 мая 2014. Архивировано из первоисточника 7 мая 2014.
  17. (2014) «Evidence for Massive Neutrinos from Cosmic Microwave Background and Lensing Observations». Physical Review Letters 112 (5): 051303. arXiv:1308.5870v2. DOI:10.1103/PhysRevLett.112.051303. PMID 24580586. Bibcode2014PhRvL.112e1303B.

Литература[править | править вики-текст]