Безмассовые частицы

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис
(перенаправлено с «Безмассовая частица»)

Безма́ссовые части́цы (люксо́ны[1]) — частицы, масса которых равна нулю. Всегда движутся со скоростью света. Способны изменять своё направление движения, энергию и импульc (например, фотон в гравитационном поле). Не имеют аналога в нерелятивистской механике.[2]

Свойства

Любая безмассовая частица может двигаться только со скоростью света. Это следует из того, что, согласно специальной теории относительности, скорость [math]\displaystyle{ v }[/math] частицы определяется соотношением [math]\displaystyle{ v=\frac{pc^{2}}{E} }[/math], где [math]\displaystyle{ E=c\sqrt{p^{2}+m^{2}c^{2}} }[/math] — энергия частицы. В случае безмассовой частицы [math]\displaystyle{ m=0 }[/math], тогда [math]\displaystyle{ E=c \mid p \mid }[/math] и, из уравнения [math]\displaystyle{ v=\frac{pc^{2}}{E} }[/math] получаем [math]\displaystyle{ \mid v \mid=c }[/math].[2] Такая частица не может находиться в состоянии покоя: она может родиться (быть излучена), двигаться со скоростью света, затем уничтожиться (поглотиться).

Любая частица, движущаяся со скоростью света, может быть только безмассовой. Это следует из формулы [math]\displaystyle{ v=\frac{pc^{2}}{E} }[/math]. В случае [math]\displaystyle{ v=c }[/math] получаем [math]\displaystyle{ E=c \mid p \mid }[/math] и, из уравнения [math]\displaystyle{ E=c\sqrt{p^{2}+m^{2}c^{2}} }[/math] получаем [math]\displaystyle{ m=0 }[/math].[2]

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

Термин «безмассовая» следует понимать используя современное определение массы, как инвариантной величины [math]m=\tfrac1{c^2}\sqrt{E^2-p^2c^2}[/math] (раньше эта величина называлась "массой покоя"). В устаревшей терминологии (которая до сих пор используется в популярной литературе и некоторых учебниках) массой называется энергия, пересчитанная в единицы массы по формуле [math]m_{rel.}=\frac{E}{c^2}[/math]. Энергия, у безмассовой частицы, конечно, имеется и её можно выразить в единицах массы. Поскольку в общей теории относительности источником гравитационного поля является не масса, а тензор энергии-импульса, безмассовые частицы участвуют в гравитационном взаимодействии[5]. Экспериментально наблюдаемыми проявлениями гравитационного взаимодействия для безмассовых частиц являются изменение их энергии (гравитационное красное смещение) и направления распространения (гравитационное отклонение света) в гравитационном поле.

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 [math]\displaystyle{ (j_{1}, j_{2}) }[/math], то кванты его — безмассовые частицы спиральности [math]\displaystyle{ \lambda = j_{1}-j_{2} }[/math] (теорема Вайнберга о спиральности).[8]

Одно из важных различий между массивными и безмассовыми частицами со спином состоит в том, что массивные частицы со спином [math]\displaystyle{ j }[/math] имеют [math]\displaystyle{ 2j+1 }[/math] состояний поляризации [math]\displaystyle{ -j, -j+1, ..., j-1, j }[/math], а для безмассовой частицы со спином [math]\displaystyle{ j }[/math] возможно лишь два состояния поляризации [math]\displaystyle{ -j, j }[/math], 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 [math]\displaystyle{ v }[/math] частицы определяется через её импульс [math]\displaystyle{ p }[/math], энергию [math]\displaystyle{ E }[/math] и скорость света [math]\displaystyle{ c }[/math] соотношением [math]\displaystyle{ v=\frac{pc^{2}}{E} }[/math].[2] Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, импульс [math]\displaystyle{ p\gt 0 }[/math], энергия [math]\displaystyle{ E=0 }[/math]. При подстановке в формулу [math]\displaystyle{ v=\frac{pc^{2}}{E} }[/math] 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 [math]\displaystyle{ m }[/math], энергией [math]\displaystyle{ E }[/math], импульсом [math]\displaystyle{ p }[/math] и скоростью света [math]\displaystyle{ c }[/math] [math]\displaystyle{ m^2 c^4 = E^2 - p^2 c^2 }[/math].[11] Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, импульс [math]\displaystyle{ p\gt 0 }[/math], энергия [math]\displaystyle{ E=0 }[/math]. При подстановке в формулу [math]\displaystyle{ m^2 c^4 = E^2 - p^2 c^2 }[/math] этих значений для массы [math]\displaystyle{ m }[/math] получается мнимая величина.

Известные безмассовые частицы

  • 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 [math]\displaystyle{ j }[/math] имеют [math]\displaystyle{ 2j+1 }[/math] состояний поляризации [math]\displaystyle{ -j, -j+1, ..., j-1, j }[/math], а для безмассовой частицы со спином [math]\displaystyle{ j }[/math] возможно лишь два состояния поляризации [math]\displaystyle{ -j, j }[/math], спин фотона [math]\displaystyle{ j=1 }[/math][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 [math]\displaystyle{ \lambda_{k}=\frac{\hbar}{mc} \ge 10^{22} }[/math] см, что даёт верхнюю оценку массы фотона [math]\displaystyle{ 3,5*10^{-60} }[/math] грамм.[13]) Аналогом состояний [math]\displaystyle{ s, p, d, ... }[/math] c определёнными значениями орбитального момента импульса [math]\displaystyle{ l }[/math] 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 почти 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 [math]\displaystyle{ \nu = 3*10^{-5} }[/math] Гц, связанной с периодом орбитального движения [math]\displaystyle{ 10 }[/math] часов, [math]\displaystyle{ m=\frac{\hbar \nu}{c^{2}} }[/math] см, что даёт верхнюю оценку массы гравитона [math]\displaystyle{ 3,5*10^{-53} }[/math] грамм.[14] Кроме этого, поскольку осуществлены одновременные наблюдения прихода гравитационных волн и светового импульса от породившего их события — очень удаленного объекта, показано, что скорость распространения гравитации точно равна скорости света, а это автоматически даёт массу гравитона = 0. 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

  • 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 (ν
    e    , ν
    μ    , ν
    τ    )[15][16][17]).

Примечания

  1. ↑ Кафедра физики космоса (недоступная ссылка). Дата обращения: 5 августа 2014. Архивировано 10 августа 2014 года.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 Широков, 1972, с. 16.
  3. ↑ Румер, 2010, с. 231.
  4. ↑ Румер, 2010, с. 233.
  5. ↑ 5,0 5,1 Ширков, 1980, с. 451.
  6. ↑ Яворский, 2007, с. 973.
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 7,3 Румер, 2010, с. 234.
  8. ↑ Румер, 2010, с. 240.
  9. ↑ Широков, 1972, с. 67.
  10. ↑ 10,0 10,1 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» Архивная копия от 14 апреля 2015 на Wayback Machine, УФН, 178, с. 813, (2008)
  15. ↑ Astronomers Accurately Measure the Mass of Neutrinos for the First Time. scitechdaily.com (10 февраля 2014). Дата обращения: 7 мая 2014. Архивировано 8 мая 2014 года.
  16. ↑ Foley, James A. Mass of Neutrinos Accurately Calculated for First Time, Physicists Report. natureworldnews.com (10 февраля 2014). Дата обращения: 7 мая 2014. Архивировано 8 мая 2014 года.
  17. ↑ Battye, Richard A.; Moss, Adam. Evidence for Massive Neutrinos from Cosmic Microwave Background and Lensing Observations (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2014. — Vol. 112, no. 5. — P. 051303. — doi:10.1103/PhysRevLett.112.051303. — Bibcode: 2014PhRvL.112e1303B. — arXiv:1308.5870v2. — PMID 24580586.

Литература

  • Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1972. — 670 с.
  • Ширков Д. В. Физика микромира. — М.: Советская энциклопедия, 1980. — 527 с.
  • Яворский Б. М. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. — М.: Оникс, 2007. — 1056 с.
  • Румер Ю. Б., Фет А. И. Теория групп и квантованные поля. — М.: Либроком, 2010. — 248 с. — ISBN 978-5-397-01392-5.
  • Окунь Л. Б. Лептоны и кварки. — М.: Едиториал УРСС, 2005. — 352 с. — ISBN 5-354-01084-5.
Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=Безмассовые_частицы&oldid=17179156