[論文レビュー] Photon: history, mass, charge

L.B. Okun|ArXiv.org|Feb 3, 2006

Quantum Mechanics and Applications被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、光子概念の歴史的発展をレビューし、理論的および実験的分析を通じてその質量に対する厳密な上限を設定し、電荷を有する光子を想定するモデルの整合性を検証する。すべての光子が電荷を持つという理論は整合性がなく、3種類の光子（正、負、中性）を含むモデルですら、赤外発散やSU(2)ゲージ理論における質量デゲネラシーの問題を含め、深刻な理論的問題を抱える。

ABSTRACT

The talk consists of three parts. ``History'' briefly describes the emergence and evolution of the concept of photon during the first two decades of the 20th century. ``Mass'' gives a short review of the literature on the upper limit of the photon's mass. ``Charge'' is a critical discussion of the existing interpretation of searches for photon charge. Schemes, in which all photons are charged, are grossly inconsistent. A model with three kinds of photons (positive, negative and neutral) seems at first sight to be more consistent, but turns out to have its own serious problems.

研究の動機と目的

• 古典的光学から量子論への光子概念の歴史的発展をたどること。
• 光子の質量に関する理論的および実験的上限をレビュー・統合すること。
• 非ゼロの光子電荷を仮定するモデルの現象論的整合性を批判的に評価すること。
• 複数の光子種（電荷を有するものと中性のもの）を含むモデルにおける根本的な理論的障害を特定すること。
• 光子が電磁場を生成することを無視することで、既存の光子電荷に関する実験的限界が自己整合的根拠を欠いていると主張すること。

提案手法

• プランクの黒体放射からアインシュタインの光電効果およびコンプトン散乱に至るまでの歴史的発展を分析する。
• 分散関係、磁場カットオフ、マクスウェル方程式へのプローカ型の修正から得られる光子質量制約の理論的導出をレビューする。
• トロイダル・ケンバッジ・バランス装置におけるベクトルポテンシャルを用いた実験的限界を評価し、$ A m_{\gamma}^2 < 2 \cdot 10^{-9} \, \text{Tm/m}^2 $ を得る。
• リュトフフが開発した有限光子質量を考慮した自己整合的MHD方程式を適用し、質量限界を改善する。
• SU(2)三重項光子と二重項電子に、双子粒子を伴う電荷保存を満たすゲージ理論的モデルを構築する。
• 崩壊的赤外放射や、非常に重い双子粒子、または巨大なヒッグス多重項の必要性といった、重要な不整合を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 20世紀における光子概念の概念的発展における歴史的マイルストーンは何か？
• RQ2 光子質量に関する最も強い理論的および実験的制約は何か？ それらはどのように導かれるか？
• RQ3 光子が電磁場を生成することを無視した場合、光子電荷の探索がなぜ現象論的に整合性がなくなるのか？
• RQ4 電荷を有する光子と中性光子を併せ持つモデルは、ゲージ理論の枠組み内で整合的に定式化可能か？ その内在的な問題点は何か？
• RQ5 有限の光子質量が、太陽風や宇宙的ベクトルポテンシャルなどの宇宙論的・天体物理学的観測に与える影響は何か？

主な発見

• 宇宙的ベクトルポテンシャルを $ 10^{12} \, \text{Tm} $ と仮定した場合、実験的限界 $ A m_{\gamma}^2 < 2 \cdot 10^{-9} \, \text{Tm/m}^2 $ に基づき、光子質量は $ m_{\gamma} < 2 \cdot 10^{-10} \, \text{eV}/c^2 $ に制限される。
• 2004年にリュトフフの自己整合的MHDフレームワークと太陽風のセクター構造解析を基に、光子質量の上限は $ 6 \cdot 10^{-16} \, \text{eV}/c^2 $ に改善された。
• すべての光子が電荷を持つという仮定は、静的電場および磁場の存在と根本的になじまない。
• 正、負、中性の3種類の光子を含むモデルは、質量ゼロの電荷を有する光子による崩壊的赤外放射といった深刻な理論的問題を抱える。
• 電荷を有する光子による放射・吸収過程における電荷保存の要請は、電子よりもはるかに重い双子粒子の存在を必要とし、質量デゲネラシーおよびヒッグス系のサイズに関する不整合を引き起こす。
• 三重項光子と二重項電子を含むSU(2)ヤン・ミルズモデルでは、$ e' \ll e $ を満たすには「天文学的サイズの巨大ヒッグス多重項」を導入する必要があり、その結果モデルは実現不可能になる。