在強場激光探測軸子實驗中對光子靜質量效應相關探究

高鵬

[摘要]軸子是一種假定的粒子，它是為了說明量子色動力學中的強CP問題，人們很青睞這種冷暗物質粒子。盡管該軸子與物質和電磁場有較弱的耦合作用，但他卻是世界上很多高精密實驗的探測目標。如果探測到軸子，這不但能夠很好地解釋量子色動力學中的強CP問題，而且其結果還能夠解釋量子場論、粒子物理和宇宙學等..本文以重電磁場理論為基礎，對強場激光探測軸子實驗中的光子靜質量效應的情況加以探究，并與其他實驗得出的光子靜質量限進行了比較。結果顯示：軸子質量限幾乎并未受到光子靜質量效應的影響，再有，該實驗得出的光子質量限精度與我們測得的光子靜質量限精度之間存有較大的差距。

[關鍵詞]軸子；量子色動力學；光子靜質量效應

[中圖分類號]E933.43 [文獻標識碼]A [文章編號]1672-5158（2013）05-0009-01

1軸子、光子相關理論簡介

本文首先簡述了關于軸子和光子的理論，以方便研究軸子和光子的相關理論，進行相關實驗。

1.1量子場論

量子場論是以量子力學原理等為基礎，一種解釋了微觀物理學的理論。量子動力學具有悠久的歷史，也比較成熟。他研究的內容主要是電磁場和帶電粒子的相互影響的情況以及這種相互影響的量子性質、帶電粒子相關活動等。它還對相關高精度實驗進行了分析。

我們所生存的世界中存在著許多量子場系統。粒子的生成或消失取決于量子場的情況。所渭真空就是指量子場中的能量處于一種最低狀態。與其他激發態相比較，這種最低態指的是不存在任何粒子的狀態，可是，真空中存在著許多量子場，并時時刻刻運動，即物理學中所謂的真空零點振動，該點對應的能量則稱為真空零點能。在這種情況下，若能夠使量子場不再擴散到更大的空間中去，而它所在的較小的空間的大小出現改變時，此量子場產生的零點振動能也會出現較小的改變，即得出了著名的卡西米爾效應。

1.2對稱性和守恒律

對稱性和守恒律在物理學中有著非常重要的地位。物質的情況及其運動特點在對稱變換時所展現出的固有性質就是對稱n生。如果物體的運動及其能量最低態具有對稱性特點，則其相應的物理量均守恒。物質在運動過程中都滿足守恒定律。

1.3規范場和規范玻色子質量

規范場是一類物質場，它與相關規律的固定性聯系很大，規范玻色子指的是一種場量子。電磁場也是常見的規范場。其不變性對周總耦合形式的形成有很大的影響。規范場的量子就是規范玻色子，也使其相互影響。因為規范對稱性的規定，規范場的相關量中沒有規范場的質量項，它會影響規范對稱性。當相應的規范玻色子質量為零時，這說明其對應的作用是長程力。

2強場激光偏振法探測軸子實驗簡述

二十世紀末，世界著名大學羅切斯特大學的一位博士和一些學術專家在美國國立實驗室做了該實驗。他們通過變更激光射向強磁場偏振方向的方式，來探測軸子。下面著重研究光子非靜止質量的相關情況。

強場激光偏振法探測軸子實驗，指的是研究軸子與光子的電磁耦合作用。有相關效應可知，當一束線偏振光出現于強磁場時，而與磁場正交的分量則與磁場相互作用生成新的軸子，所以，此分量的幅值就會降低，進而造成其偏振方向會與原偏振方向有一定的角度。二十世紀末，有一些博士和專家就在這一理論的基礎上來探測肘子。

該實驗體系由三部分組成，一是強磁場；二是光學系統；三是橢圓偏振檢測系統。強磁場主要是生成新的軸子，磁場是通過超導偶極磁體形成的。還有其他物體如起偏器等，其光軸方向與磁場方向須有一定的夾角，如此方能滿足實驗的要求。

實驗時，首先在某一橫向磁場中引入一束線偏振光，激光先經過隔離器到達起偏器，其光軸方向與磁場方向會有一定的夾角，而后會產生一定角度的線偏振光，接著射進光學反射腔，最后又到達檢測區，反射腔位于磁場區中，一旦磁場中形成新的軸子，則反射腔發出光線，其偏振狀態會有一定的改變。實驗對變化的激光偏振方向夾角進行分析，以達到探測軸子的目的。

光首先進入反射腔，射出后又進入法拉第盒，并得到其一定的調制，如此有利于避免不必要的非線性項，隨后射到檢偏器上，需要說明的是，它和起偏器一樣也是偏振晶體，二者的光軸方向是正交的，結果發出的光電信號傳到光電二極管，并在此處被檢測出。我們要想了解該偏振光的橢圓率，可以把一定規格的波片放在法拉第盒的前邊，這樣就可以通過測量偏振方向的變化來得出該橢圓率。

3光子靜止質量為零時的實驗分析

由相關效應知，當線偏振光經過較強磁場時，與磁場正交的分量在與磁場相互作用的過程中形成軸子。有量子動力學理論可知，光子主要來源于激光束，并在強磁場的影響下，形成了軸子。磁場中的場強張量存在于一定區域的總電磁場中，它包括兩部分，一是外部產生的強磁場；二是由激光束產生的電磁場場強。

因為Primakoff效應中的光為外磁場平行的部分時才能形成軸子，但和外磁場正交的部分卻未出現任何改變。二十世紀末期，有一些專家教授根據相關理論和原理，并采用相應的方法來探測軸子。當激光經過一個非縱向的磁場區時，其偏振方向則會與磁場形成一定的角度，約為45度。發出的激光的偏振方向與原方向也會形成相應的角度。

4光子靜止質量不為零時的實驗分析

從一些圖書資料中可以查知，愛因斯坦在狹義相對論中提出了兩個基本假設，即所謂的光速不變和相對性原理，它對現代物理學的發展起了巨大的推動作用。光子靜止質量上述假設中的觀點。物理學是建立在實驗的基礎上的，因此，只有進行科學的實驗才能得出正確的理論。我們可以從電動力學中得出光子靜止質量為零時的電磁場的密度等參數。由此密度推導出電磁場的運動方程。當光子靜止質量為非零時，瑪克斯韋爾電磁場必須把其靜止質量項考慮在內。然后才能對其進行獨立地光子靜止質量研究。實驗中測得的角度與磁場區域長度呈線h生關系，為方便探測，在實驗中安裝了反射鏡，使激光循環反射，從而增強了相應的測量效應。

結束語

軸子是一種假定的粒子，它是為了說明量子色動力學中的強CP問題，人們很青睞這種冷暗物質粒子。軸子一旦被發現，其意義非凡，否則，就不可能存在軸子模型，我們也就找不到解決強CP問題的具體方法，這要求我們另尋其他方式方法。本篇論文簡要介紹了其相關理論和一些模型，還有現在探測軸子的一系列實驗。此外，我們經過一番理論分析后，得出了軸子和光子的相關參數及關系式，從而推導出并得出軸子質量限。

光子靜止質量不能隨便認為是零，必須通過實驗確定。本篇論文以有質量電磁場理論為基礎理論，在做強場激光偏振法測軸子實驗過程中，對其光子靜質量效應的相關情況進行了研究，然后，再與其他實驗中的光子靜質量限對照一下。最后，我們得出如下結論：光子靜質量效應幾乎不對軸子質量限產生任何作用；由實驗得出的光子質量限精度遠遠扭秤測得的精度。

量子電動力學能夠解釋電磁相互作用的全部過程。在該原理有這樣的解釋，粒子的電荷越小，其產生的真空極化效應也就極其弱小。無論如何，這一效應還是引發了其他能夠觀測的效應，這一系列精度較高的實驗得出的結果，同其他相關理論得出的數據幾乎相同。