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 v частицы определяется через её импульс p, массу m и скорость света c соотношением v=\frac{pc^{2}}{E}, где E=c\sqrt{p^{2}+m^{2}c^{2}} — энергия частицы. В случае безмассовой частицы m=0, тогда E=c \mid p \mid и, из уравнения v=\frac{pc^{2}}{E} получаем \mid v \mid=c.[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 E переносит эквивалентную ей массу m = \frac{E}{c^2} = \frac{p}{c}, которая не связана с её нулевой массой покоя. Масса физической системы, излучающей безмассовую частицу, в момент излучения уменьшается на величину m, а масса физической системы, поглотившей безмассовую частицу, в момент поглощения увеличивается на величину m. 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 (j_{1}, j_{2}), то кванты его — безмассовые частицы спиральности \lambda = j_{1}-j_{2} (теорема Вайнберга о спиральности).[8]

Одно из важных различий между массивными и безмассовыми частицами со спином состоит в том, что массивные частицы со спином j имеют 2j+1 состояний поляризации -j, -j+1, ..., j-1, j, а для безмассовой частицы со спином j возможно лишь два состояния поляризации -j, j, 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 v частицы определяется через её импульс p, энергию E и скорость света c соотношением v=\frac{pc^{2}}{E}.[2] Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода импульс p>0, энергия E=0. При подстановке в формулу v=\frac{pc^{2}}{E} 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 m, энергией E, импульсом p и скоростью света c m^2 c^4 = E^2 - p^2 c^2.[11] Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, импульс p>0, энергия E=0. При подстановке в формулу m^2 c^4 = E^2 - p^2 c^2 этих значений для массы m 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 j имеют 2j+1 состояний поляризации -j, -j+1, ..., j-1, j, а для безмассовой частицы со спином j возможно лишь два состояния поляризации -j, j, спин фотона j=1[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 \lambda_{k}=\frac{\hbar}{mc} \ge 10^{22} см, что даёт верхнюю оценку массы фотона 3,5*10^{-60} грамм.[13]) Аналогом состояний s, p, d, ... c определёнными значениями орбитального момента импульса l 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 \nu = 3*10^{-5} Гц, связанной с периодом орбитального движения 10 часов, m=\frac{\hbar \nu}{c^{2}} см, что даёт верхнюю оценку массы гравитона 3,5*10^{-53} 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. Более того, гравитационные волны, являющиеся (теоретически) первым реально наблюдаемым проявлением невиртуальных гравитонов, не были практически открыты.
  • 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.

Примечания[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]