旋量如何表示基本粒子,它们如何使用旋量对称性?

时间:2021-03-22 09:12:36   作者:
旋量是自旋为1/2的基本粒子。一个非常突出的例子是电子。旋量的性质取决于它是无质量旋量还是有质量旋量。

在无质量旋量的情况下,它只能有两种类型的旋量——左手性和右手性。手性是一个不能测量的纯量子力学量。它被定义为由4个狄拉克矩阵相乘得到的乘积矩阵的特征态。

因此,根据特征值值的符号,粒子可以是右手性(正特征值)或左手性(负特征值)。一个例子就是韦尔旋量。它是一个无质量旋量,有两种可能的手性。

还有一个物理量是可测量的。这叫做螺旋性。螺旋度定义为线性动量矢量和自旋矢量的相对方向。如果这两点在同一个方向上,螺旋度就是正的,或者这个粒子是右撇子。如果两个矢量指向相反的方向,则粒子具有负螺旋度,称为左手粒子。

在无质量粒子的情况下,粒子的螺旋度和手性在粒子形成时是固定的,之后仍然固定。例如,一个韦尔旋量可以是左手性的右螺旋性,反之亦然。但是手性和螺旋性都不能改变。

对于一个巨大的旋量,比如一个电子,情况就会变得更加复杂。非零的电子质量使手性混合,所以得到的手性是两个相反的韦尔手性的乘积的和。同样,电子的螺旋度也不是固定的。它可以随着一个以相对论速度运动的观察者而改变。电子被称为狄拉克旋量。

所以一个自由电子在空间中运动它的螺旋度和线性动量,自旋指向相反的方向可能最终会有一个右螺旋度,线性动量和自旋指向相同的方向。

这可能发生在观察者加速赶上移动的电子并通过它的时候。从观察者的参照系来看,一旦电子经过电子,其线动量的方向就会反转。

由于无质量粒子总是以光速运动,这是我们宇宙中的终极速度,没有任何外部观察者能够加速并超过它。

对于一个巨大的旋量,还有另一种可能。它不是狄拉克旋量而是马约拉纳旋量。在这种情况下,旋量的质量不会混淆2韦尔手性。最终的手性是同类型手性的乘积之和。

在这种情况下,由于质量非零,马约拉纳旋量的螺旋度也不是固定的,并可能根据观察者的相对速度而改变。目前还没有发现符合马约拉纳旋量描述的旋量,但很可能中微子就是这样的旋量。
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