Massattomia hiukkasia

Massattomat hiukkaset ( luxonit [1] ) ovat hiukkasia, joiden massa on nolla. Liikkuu aina valonnopeudella. Pystyy muuttamaan liikesuuntaansa , energiaansa ja liikemääräään (esimerkiksi fotoni gravitaatiokentässä). Niillä ei ole analogia ei-relativistisessa mekaniikassa. [2]

Ominaisuudet

Mikä tahansa massaton hiukkanen voi liikkua vain valon nopeudella . Tämä johtuu siitä, että suhteellisuusteorian kaavojen mukaan energialle ja liikemäärälle hiukkasen nopeus määräytyy sen liikemäärän , massan ja valonnopeuden kautta suhteella , jossa  on hiukkasen energia. Kun kyseessä on massaton hiukkanen , niin ja , yhtälöstä saadaan . [2] Sellainen hiukkanen ei voi olla levossa: se voi syntyä (säteilyttää), liikkua valonnopeudella ja sitten tuhoutua (absorboitua).

Mikä tahansa valonnopeudella liikkuva hiukkanen voi olla vain massaton. Tämä seuraa kaavasta . Tapauksessa, jossa saamme ja, yhtälöstä saamme . [2]

Massattomia hiukkasia kuvataan Poincare-ryhmän pelkistymättömillä esityksillä . Tästä seuraa, että ne eivät voi olla nollaenergiatilassa. [3] Tästä seuraa myös, että massattomien hiukkasten spinin arvot voivat olla vain kokonaislukuja tai puolikokonaislukuja. [neljä]

Termi "massaton" ei heijasta tarkasti tällaisen hiukkasen luonnetta. Massan ja energian ekvivalenssiperiaatteen mukaan massaton hiukkanen, jolla on energiaa, siirtää ekvivalenttimassansa , joka ei ole suhteessa sen nollalepomassaan. Massottoman hiukkasen emittoivan fysikaalisen järjestelmän massa emissiohetkellä pienenee arvolla ja massattoman hiukkasen absorboineen fysikaalisen järjestelmän massa kasvaa absorptiohetken arvolla . Inertia- ja gravitaatiomassan ekvivalenssiperiaatteen vuoksi kaikki massattomat hiukkaset osallistuvat gravitaatiovuorovaikutukseen [5] . Kokeellisesti havaittuja massattomien hiukkasten gravitaatiovuorovaikutuksen ilmenemismuotoja ovat niiden energian ( gravitaation punasiirtymä ) ja etenemissuunnan ( valon gravitaatiopoikkeama) muutos gravitaatiokentässä.

Massattomilla hiukkasilla on erityinen säilynyt Lorentz-invarianttimäärä - helicity . Helicity on hiukkasen spinin projektio sen liikemäärästä . [6] [7] Jos pelkistymätön massaton kenttä esitetään Lorentzin ryhmän esityksenä , niin sen kvantit ovat massattomia helicity-partikkeleita ( Weinbergin helicity-lause ). [kahdeksan]

Yksi tärkeimmistä eroista massiivisten ja massattomien spinillä olevien hiukkasten välillä on se, että massiivisilla spinillä omaavilla hiukkasilla on polarisaatiotilat , kun taas massattomille hiukkasille, joilla on spin , on mahdollista vain kaksi polarisaatiotilaa , jotka ovat sen helicity. [7]

Kaikille massattomille hiukkasille ei ole olemassa sisäisen pariteetin käsitettä. [9]

Massattomille hiukkasille, joiden spin ei ole nolla, kiertoradan kulmamomentin käsitettä ei ole olemassa. [kymmenen]

Selitys massattomien hiukkasten, joilla on nollaspin, puuttuminen luonnossa on ratkaisematon teoreettisen fysiikan ongelma. [7]

Virtuaalisten hiukkasten nopeudella, mukaan lukien massattomat, ei ole fyysistä merkitystä. Tämä johtuu siitä, että hiukkasen nopeus määräytyy sen liikemäärän , energian ja valonnopeuden kautta suhteella . [2] Esimerkiksi virtuaalisille fotoneille, jotka vaihdetaan protonin ja elektronin välillä vetyatomissa, liikemäärä , energia . Kun nämä arvot korvataan nopeuden kaavassa, saadaan äärettömän suuri arvo.

Virtuaalisten hiukkasten massalla, mukaan lukien massattomat, ei ole fyysistä merkitystä. Tämä johtuu massan , energian , liikemäärän ja valonnopeuden välisestä suhteesta . [11] Esimerkiksi virtuaalisille fotoneille, jotka vaihdetaan protonin ja elektronin välillä vetyatomissa, liikemäärä , energia . Kun nämä arvot korvataan massan kaavassa , saadaan kuvitteellinen arvo.

Tunnetut massattomat hiukkaset

• Fotonit . Ainoa täysin luotettavasti olemassa oleva massaton hiukkanen. Sekä sen olemassaolo että massattomuus vahvistetaan kokeellisesti, lisäksi ne ovat kokeellisesti erittäin vahvasti argumentoituja (fotonin massan ero nollasta johtaisi sähkömagneettisten aaltojen hajoamiseen tyhjiössä, mikä tahraisi havaitut galaksikuvat taivaalla) ja teoreettisesti ( kvanttikenttäteoriassa on todistettu, että jos fotonin massa ei olisi yhtä suuri kuin nolla, niin sähkömagneettisilla aalloilla olisi kolme polarisaatiotilaa , ei kaksi, johtuen siitä, että massiivisilla hiukkasilla, joilla on spinonpolarisaatiotilat, ja massattomalle hiukkaselle, jolla on spin, vain kaksi polarisaatiotilaa on mahdollista, fotoni spin [7] ). [12] [5] Kokeen ja havaintojen näkökulmasta voidaan kuitenkin tietysti puhua vain massan ylärajasta (galaktisten magneettikenttien havainnot antavatfotonin Comptonin aallonpituuden arvon cm, joka antaa ylemmän arvion fotonigramman massasta. [13] ) Analogi tiloille, joilla on tietyt fotonin kiertoradan kulmamomentin arvot,ovat fotonimultipolit . [kymmenen]

• Gluonit . Jos gluoneja on olemassa, ne ovat massattomia, mutta toistaiseksi niiden olemassaolo saattaa olla jonkin verran epäselvä, koska teoriassa on joitain (ei liian suuria) epäilyksiä, joissa ne teoreettisesti otetaan käyttöön - kvanttikromodynamiikka ja vapaita gluoneja ei havaita (ilmeisesti , sen pitäisi olla täysin teorian mukainen, mutta jälkimmäistä ei ole matemaattisesti todistettu).
• Gravitonit . Jos gravitonit ovat olemassa, ne ovat lähes varmasti massattomia hiukkasia, tarkemmin sanottuna - niiden massan on oltava vähintään hyvin pieni - tämä seuraa universaalin gravitaatiolain ja binääripulsareiden havainnoista. Havainnot kiertoradan liikkeen vaimenemisesta binääripulsareissa vahvistavat epäsuorasti yleisen suhteellisuusteorian ennustamien gravitaatioaaltojen olemassaolon , ja näiden havaintojen määrällinen yhteensopivuus yleisen suhteellisuusteorian ennusteiden kanssa osoittaa, että gravitonimassan yläraja määräytyy siihen liittyvän taajuudenkellonkiertoradan liikkeenkatso, joka antaa gravitonin massagramman ylärajan. [14] Lisäksi koska samanaikaisia ​​havaintoja gravitaatioaaltojen saapumisesta ja valopulssista ne synnyttäneestä tapahtumasta - hyvin kaukana olevasta kohteesta - suoritettiin, osoitettiin, että painovoiman etenemisnopeus on täsmälleen sama kuin valon nopeus, ja tämä antaa automaattisesti gravitonin massan = 0. Mutta kysymys niiden olemassaolosta jää avoimeksi siinä mielessä, että niitä ei ole havaittu kokeellisesti ja niitä ei todennäköisesti havaita lähitulevaisuudessa yksittäisinä hiukkasina. Gravitaatioaallot , jotka ovat (teoreettisesti) ensimmäinen tosiasiallisesti havaittu ei-virtuaalisten gravitonien ilmentymä, löydettiin käytännössä .

Aiemmin pidetty

• Neutrino . Pitkään uskottiin, että neutriinoilla on nolla. Tällä hetkellä lukuisat värähtelykokeet aurinko-, ilmakehän-, reaktori- ja kiihdytinneutriinoilla ovat kuitenkin osoittaneet luotettavasti, että niillä on pieni, mutta nollasta poikkeava lepomassa (alle 0,28 eV , mutta ei nolla kaikilla mauilla ( ν
  e, v
  μ, v
  τ) [15] [16] [17] ).

Muistiinpanot

1. ↑ Avaruusfysiikan laitos (pääsemätön linkki) . Haettu 5. elokuuta 2014. Arkistoitu alkuperäisestä 10. elokuuta 2014. (määrätön) 
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. viisitoista.
12. ↑ Shirokov, 1972 , s. 240.
13. ↑ Okun, 2005 , s. 178.
14. ↑ Rubakov V. A., Tinyakov P. G. "Painovoiman muutos suurilla etäisyyksillä ja massiivinen gravitoni" Arkistokopio , päivätty 14. huhtikuuta 2015, Wayback Machine , UFN , 178, s. 813, (2008)
15. ↑ Tähtitieteilijät mittaavat neutriinojen massan tarkasti ensimmäistä kertaa . scitechdaily.com (10. helmikuuta 2014). Haettu 7. toukokuuta 2014. Arkistoitu alkuperäisestä 8. toukokuuta 2014. (määrätön)
16. ↑ Foley, James A. Ensimmäistä kertaa tarkasti laskettu neutriinien massa, Physicists Report . natureworldnews.com (10. helmikuuta 2014). Haettu 7. toukokuuta 2014. Arkistoitu alkuperäisestä 8. toukokuuta 2014. (määrätön)
17. ↑ Battye, Richard A.; Moss, Adam. Todisteita massiivisista neutriinoista kosmisen mikroaallon taustasta ja linssihavainnoista  // Physical Review Letters  : Journal  . - 2014. - Vol. 112 , no. 5 . — P. 051303 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.112.051303 . - . - arXiv : 1308.5870v2 . — PMID 24580586 .

Kirjallisuus

• Shirokov Yu. M. , Yudin N. P. Ydinfysiikka. - M .: Nauka, 1972. - 670 s.
• Shirkov DV Mikrokosmoksen fysiikka. - M . : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1980. - 527 s.
• Yavorsky BM Fysiikan käsikirja insinööreille ja yliopisto-opiskelijoille. - M . : Oniks, 2007. - 1056 s.
• Yu. B. Rumer , AI Fet Ryhmien ja kvantisoitujen kenttien teoria. - M .: Librokom, 2010. - 248 s. - ISBN 978-5-397-01392-5 .
• Okun' LB Leptonit ja kvarkit. - M. : Pääkirjoitus URSS, 2005. - 352 s. — ISBN 5-354-01084-5 .