Wie können wir experimentell den Unterschied zwischen Teilchen mit und ohne Ruhemasse feststellen?

Ich werde nur die Titelfrage beantworten, wie sie gestellt wurde.

Es gibt mindestens drei Kategorien von Möglichkeiten, um eine Nicht-Null-Masse für Partikel zu erkennen, und jede hat Variationen.

Die grundlegenden Methoden sind

• Messen Sie das Verhältnis von kinetischer Energie zu Impuls ($T/p$).

• Messen Sie die Geschwindigkeit. Jeder Wert, der sich gut unterscheidet$c$bedeutet Masse.

• Erzeugungs- oder Zerfallskinematik.

• Mischung beobachten.

Spektrometer-Kalorimeter

(Spektrometer messen Impuls; Kalorimeter messen Energie)

Die Relativitätstheorie macht deutlich, dass das Verhältnis von Gesamtenergie zu Impuls eines Teilchens ist$R_0 = T/p = E/p = c$für ein masseloses Teilchen und$R_m = \frac{\gamma-1}{\beta\gamma} c$für ein Teilchen mit Masse.

Bei Partikeln mit großer Masse ist es einfach, dieses Verhältnis zuverlässig zu unterscheiden.

Geschwindigkeit

Wenn ein Teilchen masselos ist, bewegt es sich um$c$; Wenn es massiv ist, bewegt es sich mit weniger als$c$, also jede Messung der Geschwindigkeit kleiner als$c$impliziert eine Masse ungleich Null. Um einen Wert für diese Masse zu erhalten, ist etwas mehr Arbeit erforderlich.

Geschwindigkeit kann gemessen werden

• Durch Laufzeit, entweder zwischen zwei zeitauflösenden Detektoren oder von einer bekannten Erzeugungszeit zu einem einzigen zeitauflösenden Detektor. Für geladene Teilchen ist es einfach, Detektoren mit einer Zeitauflösung von Nanosekunden zu bauen, also ist dies ein Kinderspiel für Teilchen, die sogar so leicht wie Elektronen sind.

• Für geladene Teilchen mit einem Geschwindigkeitsschwellendetektor wie einem Cerenkov- oder Übergangsstrahlungsdetektor.

Bei neutralen Teilchen müssen Sie sie dazu bringen, mit einem geladenen Objekt in Ihrem Detektor zu interagieren, um sie zu erkennen, was dies schwieriger macht. Nichtsdestotrotz können die Neutrinogeschwindigkeiten von Beschleunigern mit vorhandener Hardware so eingeschränkt werden, dass sie sehr nahe an der des Lichts liegen.

Entstehungs-/Zerfallskinematik

Die Erhaltung des Viererimpulses an einem Erzeugungs- oder Zerfallsscheitel bedeutet, dass Sie mit ausreichend guten Informationen über die Bewegung aller beteiligten Teilchen und wenn alle Massen bis auf eine bekannt sind, die endgültige Masse finden können.

Dies ist am einfachsten in einem Schöpfungskontext zu sehen, in dem die Vernichtung eines Teilchens mit seinem Antiteilchen stattfindet

Versuche, die Neutrinomassen auf diese Weise zu erhalten, scheiterten bisher an der Schwierigkeit des Experiments und der niedrigen Rate in der Nähe des Endpunkts. Es werden jedoch neue Messungen in Erwägung gezogen.

Mischen

Dadurch wissen wir, dass Neutrinos eine gewisse Masse haben müssen. Im Wesentlichen erfordert das Mischen Zeit und es vergeht keine richtige Zeit zwischen Punkten auf einer luminalen Flugbahn, sodass alles, was sich mischt, nicht den luminalen Flugbahnen folgen kann und daher Masse haben muss.

Theoretisch ist der einfachste Indikator, dass Teilchen ohne Ruhemasse, und nur sie, sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Aber es kann schwierig sein, dies direkt zu messen. Renormierung ist eine rechnerische Heuristik, die theoretische Vorhersagen aus QFT extrahiert (da wir nur eine störungstheoretische Formulierung davon haben), aber die Parameter, die in den Antworten auftauchen, wie effektive Massen und Ladungen, müssen experimentell bestimmt und in die Renormierung eingefügt werden Ausdrücke von Hand. Sie sind also viel weniger "theoretisch" als die Renormierung selbst. Es gibt Einsteins Vermutung, dass Materie keine "Restmasse" hat, die sich niemals in Zerfällen oder Kollisionen zeigt, die benötigt wird, um die Masse-Energie-Beziehung abzuleiten, siehe Warum wird Einsteins Masse-Energie-Beziehung gewöhnlich geschrieben als$E=mc^2$, und nicht$\Delta E=\Delta m c^2$? Aber auch das Vorhandensein einer solchen Masse würde die kinematische Messbarkeit der Ruhemasse nicht ausschließen,

Die Frage ist von praktischer Bedeutung für Neutrinos, von denen lange Zeit angenommen wurde, dass sie aufgrund ihrer Rolle bei der Strukturbildung nach dem Urknall keine Ruhemasse haben. Der ursprüngliche Beweis war indirekt, nämlich dass Neutrinos während des Fluges zwischen Geschmacksrichtungen oszillieren. Aus Schwingungsmessungen lassen sich die Mischungswinkel und damit die Unterschiede zwischen den Massenquadraten bestimmen. Die endliche Masse kann auch aus anderen Effekten, wie dem Auftreten von Neutrinos mit entgegengesetzter Chiralitätskomponente in chiralitätsselektiven Experimenten, doppelt abgeleitet werden$\beta$Zerfall und einige kosmologische Beobachtungen. Die kinematische Bestimmung der Neutrino-Ruhemasse wird in Current Direct Neutrino Mass Experiments von Drexlin et al. Hier ist die Idee:

„ Die direkte Neutrinomassenbestimmung basiert rein auf Kinematik ohne weitere Annahmen. Im Wesentlichen wird die Neutrinomasse unter Verwendung der relativistischen Energie-Impuls-Beziehung bestimmt$E^2=m^2+p^2$. Daher ist es empfindlich gegenüber dem Quadrat der Neutrinomasse$m^2(\nu)$. Prinzipiell gibt es zwei Methoden: Laufzeitmessungen und Präzisionsuntersuchungen schwacher Zerfälle. Ersteres erfordert sehr lange Basislinien und daher sehr starke Quellen, die nur katastrophale astrophysikalische Ereignisse wie eine Kernkollaps-Supernova liefern könnten ...

Leider sind Supernova-Explosionen in der Nähe zu selten und scheinen nicht gut genug verstanden zu sein, um mit den direkten Neutrinomassenexperimenten im Labor konkurrieren zu können. Daher zielt die Untersuchung der Kinematik schwacher Zerfälle und expliziter die Untersuchung der Endpunktregion von a auf diese Sensitivität ab$\beta$-Zerfallsspektrum (oder ein Elektroneneinfang) ist nach wie vor die empfindlichste modellunabhängige und direkte Methode zur Bestimmung der Neutrinomasse. "

Wie können wir aus Experimenten sagen, dass ein bestimmtes Teilchen, wie ein Quark, eine Ruhemasse hat, ein Gluon aber nicht? Beide hinterlassen Zerfallsprodukte. Was ist also speziell in dem Experiment (ich schätze tiefinelastische Streuung), das anhand des Zerfallsprodukts erkennen lässt, ob es Ruhemasse aufweist oder nicht?

Im Moment werden die Daten aus der Teilchenphysik gut durch das Standardmodell angepasst und die Vorhersagen des Modells validiert, aber all dies liegt innerhalb der experimentellen Fehler . Experimentelle Fehler sind die gleichen für die Spuren, die aus den Wechselwirkungen hervorgehen, aber die Interpretation und Verwendung dieser Informationen machen große Unterschiede in der Genauigkeit der Massenbestimmung.

Quarks und Gluonen sind auf eine Vielzahl von gemessenen Spuren, in Jets, und damit auf eine Anhäufung von Fehlern angewiesen. Fehler werden beispielsweise bei einem schwachen Zerfall von a Z auf mu+mu- minimiert. Daher beeinflussen die von uns verwendeten Modelle das Konzept der Massen für die identifizierten Partikel. Im Moment sind die Standardmodellteilchen mit Nullmasse gut validiert, es handelt sich also um eine Wechselwirkung zwischen Theorie und Messungen.

Oder können wir es aus Experimenten nicht sagen, wir kennen nur theoretisch den Unterschied zwischen Teilchen mit und ohne Ruhemasse und identifizieren sie im Experiment, messen die Energie des Zerfalls und sagen dann, dass das nur Energie war (aus a Photon, Gluon) oder Ruhemasse (aus einem Quark, Elektron, W,Z Bozon)?

Wagen vor dem Pferd. Die Wechselwirkungen, schwache und elektromagnetische, zuerst gemessene Null-Masse-Teilchen, dh in der Energiebilanz der experimentellen Messungen war die Masse des fehlenden Teilchens innerhalb der Fehler Null, und dann kam die Theorie, um die Daten zu modellieren. Deshalb hatten wir die Neutrinos so viele Jahre lang masselos, weil die Energie- und Impulserhaltung in Teilchenwechselwirkungen sie als masselos, innerhalb von Fehlern, gemessen hat .

Dass die Masse des Photons null ist, ist nicht nur im Standardmodell ein Dreh- und Angelpunkt, sondern auch in der speziellen Relativitätstheorie, die so gut validiert ist, dass es keinen Raum gibt, daran zu zweifeln, dass die Masse des Photons null ist, egal wie klein die Fehler sind. Bei Neutrinos ist dies nicht der Fall.

Es ist sinnlos, Verbesserungen der Genauigkeit bei den Gluonen zu fordern, die niemals frei sind, um mit den starken Wechselwirkungen gemessen zu werden.

Wir sind also im Moment an dem Punkt, an dem wir eine Standardmodelltheorie haben, die alle unsere Messungen kapselt, prädiktiv ist und kleine Fenster für die Physik außerhalb des Standardmodells hat, die die für das Photon erforderlichen Nullmassen im Moment nicht beeinflusst und Gluon.

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Hier ist die Erzeugung eines e+ e--Paares durch ein Photon im Feld eines Elektrons (die lange Linie)

Der Energie-Impuls-Vektor des ankommenden Photons kann durch Messungen angepasst und die Masse des ankommenden Photons innerhalb von Fehlern als Null gefunden werden.

Hier ist ein hadronisches Ereignis mit drei Jets im ALEPH-Detektor auf der Masse des Z.

Es wird als Quark-Antiquark-Gluon-Ereignis interpretiert, Quark-Antiquark von der Baryonen-Erhaltungszahl und Gluon, weil es die Baryonenzahl Null hat. Die Jets sind die Ergebnisse der Hadronisierung und erst durch Anpassung einer großen Anzahl solcher Ereignisse mit Hilfe des Standardmodells und der Hadronisierungsmodelle kann auf die Massen geschlossen werden: Die Modelle haben die Massen, die im Standardmodell vorhanden sind Partikeltabelle.