Безмассовые частицы

Безма́ссовые части́цы (люксо́ны) — 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.Шаблон:Sfn

Свойства

Любая безмассовая частица может двигаться только со скоростью света. Это следует из того, что, согласно формулам теории относительности, для энергии $E=\frac{m{c}^2}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}$ и импульса $p=\frac{mv}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}$скорость $v$ частицы определяется через её импульс $p$, массу $m$ и скорость света $c$ соотношением $v=\frac{p{c}^2}{E}$, 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 $v=\frac{p{c}^2}{E}$ получаем $\mid v\mid =c$.Шаблон:Sfn 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 $v=\frac{p{c}^2}{E}$. В случае $v=c$ получаем $E=c\mid p\mid$ и, из уравнения $E=c\sqrt{p^2+m^2{c}^2}$ получаем $m=0$.Шаблон:Sfn

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

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 взаимодействииШаблон:Sfn. 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.Шаблон:SfnШаблон:Sfn 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).Шаблон:Sfn

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.Шаблон:Sfn

Для всех безмассовых частиц понятия внутренней чётности не существует.Шаблон:Sfn

Для безмассовых частиц с ненулевым спином понятия орбитального момента импульса не существует. Шаблон:Sfn

Объяснение отсутствия в природе безмассовых частиц с нулевым спином является нерешённой проблемой теоретической физики.Шаблон:Sfn

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 $v=\frac{p{c}^2}{E}$.Шаблон:Sfn Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, импульс $p>0$, энергия $E=0$. При подстановке в формулу $v=\frac{p{c}^2}{E}$ 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 $c$ $m^2{c}^4=E^2-p^2{c}^2$.Шаблон:Sfn 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

• 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 $j=1$Шаблон:Sfn).Шаблон:SfnШаблон:Sfn Со стороны эксперимента и наблюдений можно говорить только об ограничении сверху на массу (наблюдения галактических магнитных полей дают величину комптоновской длины волны фотона ${\lambda }_k=\frac{\hslash }{mc}\ge 10^{22}$ см, что даёт верхнюю оценку массы фотона $3,5\cdot 10^{-60}$ грамм.Шаблон:Sfn) Аналогом состояний $s,p,d,...$ c определёнными значениями орбитального момента импульса $l$ для фотона являются фотонные мультиполи.Шаблон:Sfn

• 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).Шаблон:Нет АИ
• 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 $\nu =3\cdot 10^{-5}$ Гц, связанной с периодом орбитального движения $10$ часов, $m=\frac{\hslash \nu }{c^2}$ см, что даёт верхнюю оценку массы гравитона $3,5\cdot 10^{-53}$ грамм. 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 равным нулю. 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.Шаблон:Нет АИ

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 (Шаблон:SubatomicParticle, Шаблон:SubatomicParticle, Шаблон:SubatomicParticle)).

Литература

• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга

Шаблон:Классификации частиц