Masseløse partikler

Masseløse partikler ( luxoner [1] ) er partikler, hvis masse er nul. Bevæger sig altid med lysets hastighed. I stand til at ændre deres bevægelsesretning , energi og momentum (for eksempel en foton i et gravitationsfelt). De har ingen analog i ikke-relativistisk mekanik. [2]

Egenskaber

Enhver masseløs partikel kan kun bevæge sig med lysets hastighed . Dette følger af det faktum, at ifølge relativitetsteoriens formler, for energi og momentum , bestemmes en partikels hastighed gennem dens momentum , masse og lyshastighed af forholdet , hvor  er partiklens energi. I tilfælde af en masseløs partikel , så og , fra ligningen får vi . [2] En sådan partikel kan ikke være i ro: den kan fødes (bestråles), bevæge sig med lysets hastighed og derefter ødelægges (absorberes).

Enhver partikel, der bevæger sig med lysets hastighed, kan kun være masseløs. Dette følger af formlen . I tilfældet opnår vi og fra ligningen får vi . [2]

Masseløse partikler er beskrevet af irreducible repræsentationer af Poincare-gruppen . Det følger heraf, at de ikke kan være i en nul-energitilstand. [3] Det følger også af dette, at værdierne for spin af masseløse partikler kun kan være heltal eller halvt heltal. [fire]

Udtrykket "masseløs" afspejler ikke nøjagtigt arten af ​​en sådan partikel. Ifølge princippet om ækvivalens af masse og energi overfører en masseløs partikel med energi sin ækvivalente masse , som ikke er relateret til dens nul-hvilemasse. Massen af ​​et fysisk system, der udsender en masseløs partikel i emissionsøjeblikket, falder med værdien , og massen af ​​det fysiske system, der har absorberet den masseløse partikel, stiger med værdien i absorptionsøjeblikket . På grund af princippet om ækvivalens af inerti- og gravitationsmasse deltager alle masseløse partikler i gravitationsinteraktion [5] . Eksperimentelt observerede manifestationer af gravitationsinteraktion for masseløse partikler er ændringen i deres energi ( gravitationel rødforskydning ) og udbredelsesretning ( gravitationsafbøjning af lys ) i et gravitationsfelt.

Masseløse partikler har en speciel bevaret Lorentz-invariant kvantitet - helicitet . Helicitet er projektionen af ​​en partikels spin på dens momentum . [6] [7] Hvis et irreducerbart masseløst felt er givet ved en repræsentation af Lorentz-gruppen , så er dets kvanter masseløse helicitetspartikler ( Weinbergs helicitetssætning ). [otte]

En af de vigtige forskelle mellem massive og masseløse partikler med spin er, at massive partikler med spin har polarisationstilstande , mens for en masseløs partikel med spin kun to polarisationstilstande er mulige , som er dens helicitet. [7]

For alle masseløse partikler eksisterer begrebet indre paritet ikke. [9]

For masseløse partikler med ikke-nul spin eksisterer begrebet orbital vinkelmomentum ikke. [ti]

Forklaring på fraværet af masseløse partikler med nul spin i naturen er et uløst problem i teoretisk fysik. [7]

Hastigheden af ​​virtuelle partikler, inklusive masseløse, har ingen fysisk betydning. Dette følger af, at en partikels hastighed bestemmes gennem dens momentum , energi og lysets hastighed af relationen . [2] For eksempel for virtuelle fotoner udvekslet mellem en proton og en elektron i et brintatom, momentum , energi . Når disse værdier erstattes med formlen for hastighed, opnås en uendelig stor værdi.

Massen af ​​virtuelle partikler, inklusive masseløse, har ingen fysisk betydning. Dette følger af forholdet mellem masse , energi , momentum og lysets hastighed . [11] For eksempel for virtuelle fotoner udvekslet mellem en proton og en elektron i et brintatom, momentum , energi . Når disse værdier substitueres i formlen for massen , opnås en imaginær værdi.

Kendte masseløse partikler

• Fotoner . Den eneste fuldstændigt pålidelige eksisterende masseløse partikel. Både dets eksistens og masseløshed bekræftes eksperimentelt, desuden er de meget stærkt argumenterede eksperimentelt (forskellen mellem fotonmassen fra nul ville føre til spredning af elektromagnetiske bølger i vakuum, hvilket ville smøre de observerede billeder af galakser hen over himlen) og teoretisk (i kvantefeltteorien er det bevist, at hvis massen af ​​en foton ikke var lig med nul, ville elektromagnetiske bølger have tre, og ikke to , polarisationstilstande , på grund af det faktum, at massive partikler med spinharpolarisationstilstande, og for en masseløs partikel med spin, er kun to polarisationstilstande mulige, fotonspin [7] ). [12] [5] Men fra et forsøgs- og observationssynspunkt kan vi naturligvis kun tale om den øvre grænse for massen (observationer af galaktiske magnetfelter giver værdien af ​​Compton-bølgelængden af ​​en fotoncm, hvilket giver et øvre estimat af massen af ​​et fotongram [13] ) En analog af tilstandemed visse værdier af det orbitale vinkelmomentfor en foton er foton multipoler . [ti]

• Gluoner . Hvis gluoner eksisterer, så er de masseløse, men indtil videre kan deres eksistens være under nogen tvivl, da der er nogle (ikke for store) tvivl i teorien, hvor de teoretisk introduceres - kvantekromodynamik , og frie gluoner er ikke observeret (tilsyneladende , det burde være i fuld overensstemmelse med teorien, men sidstnævnte er ikke blevet matematisk bevist).
• Gravitoner . Hvis gravitoner eksisterer, så er de næsten helt sikkert masseløse partikler, mere præcist - deres masse skal i det mindste være meget lille - dette følger af loven om universel gravitation og observationer af binære pulsarer. Observationer af dæmpning af orbital bevægelse i binære pulsarer bekræfter indirekte eksistensen af ​​gravitationsbølger forudsagt af den generelle relativitetsteori, og den kvantitative overensstemmelse mellem disse observationer og forudsigelserne af den generelle relativitetsteori indikerer, at den øvre grænse for gravitonmassen er bestemt af den frekvensuretsorbitale bevægelsese det giver en øvre grænse for gravitonmassengram. [14] Siden samtidige observationer af ankomsten af ​​gravitationsbølger og en lysimpuls fra den begivenhed, der genererede dem - et meget fjernt objekt, blev udført, blev det desuden vist, at tyngdekraftens udbredelseshastighed er nøjagtigt lig med lysets hastighed, og det giver automatisk gravitonmassen = 0. Men spørgsmålet om deres eksistens forbliver åbent i den forstand, at de ikke er eksperimentelt opdaget og sandsynligvis ikke vil blive opdaget i en overskuelig fremtid som individuelle partikler. Gravitationsbølger , som (teoretisk) er den første faktisk observerede manifestation af ikke-virtuelle gravitoner, blev opdaget i praksis .

Tidligere anset for

• Neutrino . I lang tid troede man, at neutrinoer har nul. Men på nuværende tidspunkt har talrige oscillationseksperimenter med sol-, atmosfæriske, reaktor- og acceleratorneutrinoer pålideligt vist, at de har en lille hvilemasse, der ikke er nul (mindre end 0,28 eV , men ikke nul for alle smagsvarianter ( ν )
  e, v
  μ, v
  τ) [15] [16] [17] ).

Noter

1. ↑ Institut for Rumfysik (utilgængeligt link) . Hentet 5. august 2014. Arkiveret fra originalen 10. august 2014. (ubestemt) 
2. ↑ 1 2 3 4 Shirokov, 1972 , s. 16.
3. ↑ Rumer, 2010 , s. 231.
4. ↑ Rumer, 2010 , s. 233.
5. ↑ 1 2 Shirkov, 1980 , s. 451.
6. ↑ Yavorsky, 2007 , s. 973.
7. ↑ 1 2 3 4 Rumer, 2010 , s. 234.
8. ↑ Rumer, 2010 , s. 240.
9. ↑ Shirokov, 1972 , s. 67.
10. ↑ 1 2 Shirokov, 1972 , s. 148.
11. ↑ Shirokov, 1972 , s. femten.
12. ↑ Shirokov, 1972 , s. 240.
13. ↑ Okun, 2005 , s. 178.
14. ↑ Rubakov V. A., Tinyakov P. G. "Modification of gravity at large distances and a massive graviton" Arkivkopi dateret 14. april 2015 på Wayback Machine , UFN , 178, s. 813, (2008)
15. ↑ Astronomer måler nøjagtigt massen af ​​neutrinoer for første gang . scitechdaily.com (10. februar 2014). Hentet 7. maj 2014. Arkiveret fra originalen 8. maj 2014. (ubestemt)
16. ↑ Foley, James A. Masse af neutrinoer nøjagtigt beregnet for første gang, Physicists Report . natureworldnews.com (10. februar 2014). Hentet 7. maj 2014. Arkiveret fra originalen 8. maj 2014. (ubestemt)
17. ↑ Battye, Richard A.; Moss, Adam. Beviser for massive neutrinoer fra Cosmic Microwave Background og Lensing Observations  // Physical Review Letters  : journal  . - 2014. - Bd. 112 , nr. 5 . — P. 051303 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.112.051303 . - . - arXiv : 1308.5870v2 . — PMID 24580586 .

Litteratur

• Shirokov Yu. M. , Yudin N. P. Kernefysik. - M. : Nauka, 1972. - 670 s.
• Shirkov DV Fysik af mikrokosmos. - M . : Soviet Encyclopedia, 1980. - 527 s.
• Yavorsky BM håndbog i fysik for ingeniører og universitetsstuderende. - M . : Oniks, 2007. - 1056 s.
• Yu. B. Rumer , AI Fet teori om grupper og kvantificerede felter. - M. : Librokom, 2010. - 248 s. - ISBN 978-5-397-01392-5 .
• Okun' LB Leptoner og kvarker. - M. : Redaktionel URSS, 2005. - 352 s. — ISBN 5-354-01084-5 .