فوتون ها چگونه پایدار هستند؟

[fr.chemi3t]

امکان واپاشی فوتون‌ها به ذرات سبک‌تر، یکی از جنجالی‌ترین موضوعات فیزیک نوین به شمار می‌رود که تا کنون تلاش‌های بسیاری برای اثبات آن صورت گرفته است. یولیان هیک آلمانی یکی از محققانی است که سعی می‌کند با استناد به طیف تابش میکروموج زمینه (CMB) نشان دهد فوتون‌ها می‌توانند با احتمال قابل قبولی در طول عمر خود دچار واپاشی شوند.

آیا یک فوتون می‌تواند واپاشی کند؟ تصور این موضوع که یک فوتون دچار واپاشی شود بسیار سخت است، به ویژه هنگامی که نور ستارگان دوردست را در نظر می‌گیریم که میلیون‌ها کیلومتر را در فضا طی می‌کنند تا به ما برسند. با این حال اگر فوتون‌ها دارای جرم باشند، حتی اگر این جرم بسیار کوچک و غیر قابل مشاهده باشد، احتمال واپاشی آن‌ها به ذرات سبک‌تر وجود دارد. اگر بخواهیم دنبال نشانه‌هایی برای این نوع واپاشی بگردیم، باید به قدیمی‌ترین نور موجود در کائنات یعنی تابش میکروموج زمینه (CMB) مراجعه کنیم. در مقاله‌ای که اخیرا در فیزیکال ریویو لترز چاپ شده است، یولیان هیک (Julian Heeck) از موسسه ماکس پلانک برای فیزیک هسته‌ای در هایلدبرگ آلمان نشان می‌دهد که اگر به طیف جسم سیاه CMB دقت کنیم، می‌بینیم که واپاشی فوتون‌ها امری غیر محتمل نیست و بنابراین می‌توان یک حد پایین برای طول عمر فوتون‌ها در نظر گرفت.

همان‌طور که می‌دانیم، برای آنکه یک فوتون بتواند دچار واپاشی شود باید دارای جرم باشد. چرا که در غیر این صورت هیچ ذره سبک‌تری وجود نخواهد داشت که فوتون بتواند به آن فرو بپاشد. وجود یک فوتون با جرم غیر صفر از لحاظ نظری کاملا ممکن است، اما آزمایش‌هایی که با کمک میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی صورت گرفته است، جرم فوتون را تا کمتر از ده به توان منفی پنجاه و چهار کیلوگرم محدود می‌کنند. هیک با فرض این حد بالا برای جرم فوتون، یک مدل کاملا عمومی در نظر گرفت که در آن فوتون‌ها می‌توانند به ذرات سبک‌تری چون نوترینوها و یا ذرات ناشناخته واپاشی کنند.

به عنوان یک قید، هیک تابش CMB را در نظر گرفت که در واقع یک تابش بسیار قدیمی گسیل شده از پلاسمای داغ و تیره‌ای است که تا چند صد هزار سال پس از بیگ بنگ وجود داشته است. طیف CMBبه خوبی با طیف تابش یک جسم سیاه ایده‌آل همخوانی دارد. این امر بیانگر آن است که تعداد بسیار اندکی از فوتون‌های CMB در طی سفر سیزده میلیارد ساله خود دچار واپاشی شده‌اند. طبق محاسبات هیک، حداقل طول عمر این فوتون‌ها پیش از آنکه دچار واپاشی شوند، در چارچوب لخت فوتون، سه سال بوده است. این زمان به نظر بسیار کوتاه می‌رسد، اما باید در نظر داشته باشیم که فوتون‌ها موجوداتی به شدت نسبیتی هستند. بنابراین هنگامی که اتساع زمانی را به حساب آوریم، یک فوتون نور مرئی در چارچوب مرجع ما برای مدت ده به توان هجده سال یا بیشتر پایدار خواهد بود.