在强场激光探测轴子实验中对光子静质量效应相关探究

高鹏

[摘要]轴子是一种假定的粒子，它是为了说明量子色动力学中的强CP问题，人们很青睐这种冷暗物质粒子。尽管该轴子与物质和电磁场有较弱的耦合作用，但他却是世界上很多高精密实验的探测目标。如果探测到轴子，这不但能够很好地解释量子色动力学中的强CP问题，而且其结果还能够解释量子场论、粒子物理和宇宙学等..本文以重电磁场理论为基础，对强场激光探测轴子实验中的光子静质量效应的情况加以探究，并与其他实验得出的光子静质量限进行了比较。结果显示：轴子质量限几乎并未受到光子静质量效应的影响，再有，该实验得出的光子质量限精度与我们测得的光子静质量限精度之间存有较大的差距。

[关键词]轴子；量子色动力学；光子静质量效应

[中图分类号]E933.43 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）05-0009-01

1轴子、光子相关理论简介

本文首先简述了关于轴子和光子的理论，以方便研究轴子和光子的相关理论，进行相关实验。

1.1量子场论

量子场论是以量子力学原理等为基础，一种解释了微观物理学的理论。量子动力学具有悠久的历史，也比较成熟。他研究的内容主要是电磁场和带电粒子的相互影响的情况以及这种相互影响的量子性质、带电粒子相关活动等。它还对相关高精度实验进行了分析。

我们所生存的世界中存在着许多量子场系统。粒子的生成或消失取决于量子场的情况。所渭真空就是指量子场中的能量处于一种最低状态。与其他激发态相比较，这种最低态指的是不存在任何粒子的状态，可是，真空中存在着许多量子场，并时时刻刻运动，即物理学中所谓的真空零点振动，该点对应的能量则称为真空零点能。在这种情况下，若能够使量子场不再扩散到更大的空间中去，而它所在的较小的空间的大小出现改变时，此量子场产生的零点振动能也会出现较小的改变，即得出了著名的卡西米尔效应。

1.2对称性和守恒律

对称性和守恒律在物理学中有着非常重要的地位。物质的情况及其运动特点在对称变换时所展现出的固有性质就是对称n生。如果物体的运动及其能量最低态具有对称性特点，则其相应的物理量均守恒。物质在运动过程中都满足守恒定律。

1.3规范场和规范玻色子质量

规范场是一类物质场，它与相关规律的固定性联系很大，规范玻色子指的是一种场量子。电磁场也是常见的规范场。其不变性对周总耦合形式的形成有很大的影响。规范场的量子就是规范玻色子，也使其相互影响。因为规范对称性的规定，规范场的相关量中没有规范场的质量项，它会影响规范对称性。当相应的规范玻色子质量为零时，这说明其对应的作用是长程力。

2强场激光偏振法探测轴子实验简述

二十世纪末，世界著名大学罗切斯特大学的一位博士和一些学术专家在美国国立实验室做了该实验。他们通过变更激光射向强磁场偏振方向的方式，来探测轴子。下面着重研究光子非静止质量的相关情况。

强场激光偏振法探测轴子实验，指的是研究轴子与光子的电磁耦合作用。有相关效应可知，当一束线偏振光出现于强磁场时，而与磁场正交的分量则与磁场相互作用生成新的轴子，所以，此分量的幅值就会降低，进而造成其偏振方向会与原偏振方向有一定的角度。二十世纪末，有一些博士和专家就在这一理论的基础上来探测肘子。

该实验体系由三部分组成，一是强磁场；二是光学系统；三是椭圆偏振检测系统。强磁场主要是生成新的轴子，磁场是通过超导偶极磁体形成的。还有其他物体如起偏器等，其光轴方向与磁场方向须有一定的夹角，如此方能满足实验的要求。

实验时，首先在某一横向磁场中引入一束线偏振光，激光先经过隔离器到达起偏器，其光轴方向与磁场方向会有一定的夹角，而后会产生一定角度的线偏振光，接着射进光学反射腔，最后又到达检测区，反射腔位于磁场区中，一旦磁场中形成新的轴子，则反射腔发出光线，其偏振状态会有一定的改变。实验对变化的激光偏振方向夹角进行分析，以达到探测轴子的目的。

光首先进入反射腔，射出后又进入法拉第盒，并得到其一定的调制，如此有利于避免不必要的非线性项，随后射到检偏器上，需要说明的是，它和起偏器一样也是偏振晶体，二者的光轴方向是正交的，结果发出的光电信号传到光电二极管，并在此处被检测出。我们要想了解该偏振光的椭圆率，可以把一定规格的波片放在法拉第盒的前边，这样就可以通过测量偏振方向的变化来得出该椭圆率。

3光子静止质量为零时的实验分析

由相关效应知，当线偏振光经过较强磁场时，与磁场正交的分量在与磁场相互作用的过程中形成轴子。有量子动力学理论可知，光子主要来源于激光束，并在强磁场的影响下，形成了轴子。磁场中的场强张量存在于一定区域的总电磁场中，它包括两部分，一是外部产生的强磁场；二是由激光束产生的电磁场场强。

因为Primakoff效应中的光为外磁场平行的部分时才能形成轴子，但和外磁场正交的部分却未出现任何改变。二十世纪末期，有一些专家教授根据相关理论和原理，并采用相应的方法来探测轴子。当激光经过一个非纵向的磁场区时，其偏振方向则会与磁场形成一定的角度，约为45度。发出的激光的偏振方向与原方向也会形成相应的角度。

4光子静止质量不为零时的实验分析

从一些图书资料中可以查知，爱因斯坦在狭义相对论中提出了两个基本假设，即所谓的光速不变和相对性原理，它对现代物理学的发展起了巨大的推动作用。光子静止质量上述假设中的观点。物理学是建立在实验的基础上的，因此，只有进行科学的实验才能得出正确的理论。我们可以从电动力学中得出光子静止质量为零时的电磁场的密度等参数。由此密度推导出电磁场的运动方程。当光子静止质量为非零时，玛克斯韦尔电磁场必须把其静止质量项考虑在内。然后才能对其进行独立地光子静止质量研究。实验中测得的角度与磁场区域长度呈线h生关系，为方便探测，在实验中安装了反射镜，使激光循环反射，从而增强了相应的测量效应。

结束语

轴子是一种假定的粒子，它是为了说明量子色动力学中的强CP问题，人们很青睐这种冷暗物质粒子。轴子一旦被发现，其意义非凡，否则，就不可能存在轴子模型，我们也就找不到解决强CP问题的具体方法，这要求我们另寻其他方式方法。本篇论文简要介绍了其相关理论和一些模型，还有现在探测轴子的一系列实验。此外，我们经过一番理论分析后，得出了轴子和光子的相关参数及关系式，从而推导出并得出轴子质量限。

光子静止质量不能随便认为是零，必须通过实验确定。本篇论文以有质量电磁场理论为基础理论，在做强场激光偏振法测轴子实验过程中，对其光子静质量效应的相关情况进行了研究，然后，再与其他实验中的光子静质量限对照一下。最后，我们得出如下结论：光子静质量效应几乎不对轴子质量限产生任何作用；由实验得出的光子质量限精度远远扭秤测得的精度。

量子电动力学能够解释电磁相互作用的全部过程。在该原理有这样的解释，粒子的电荷越小，其产生的真空极化效应也就极其弱小。无论如何，这一效应还是引发了其他能够观测的效应，这一系列精度较高的实验得出的结果，同其他相关理论得出的数据几乎相同。