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.

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]).[11][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.[12]) 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.[13] 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, были практически открыты совсем недавно, притом косвенно.

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]