Ce masă ar putea avea fotonul?

Avem o nouă limită superioară pentru masa fotonului.

Conform măsurătorilor pulsarilor din Calea Lactee și a unor misterioase semnale radio din alte galaxii, o particulă de lumină, numită foton, nu poate fi mai grea de 9,52×10^–46 kg.

Aceasta este o limită foarte mică, dar perspectiva că fotonul ar putea avea masă are un impact semnificativ asupra modului în care interpretăm Universul și asupra înțelegerii noastre a fizicii.

Fotonii, de obicei, sunt descriși ca particule fără masă. Aceste cantități discrete de energie trec prin spațiu-timp cu o viteză constantă, incapabile să accelereze sau să încetinească în vid. Această viteză constantă implică lipsa de masă și nu există dovezi contrare.

Cu toate acestea, nu știm cu certitudine absolută că fotonii nu au masă.

O masă diferită de zero ar avea implicații profunde. Ar contrazice relativitatea specială a lui Einstein și teoria electromagnetică a lui Maxwell, conducând, probabil, la o nouă fizică și totodată la găsirea unor răspunsuri la câteva întrebări fundamentale despre Univers (deși provocând multe alte întrebări în acelaşi timp).

Dacă un foton ar avea masă, atunci ar trebui ca aceasta să fie extrem de mică pentru a nu avea efecte majore asupra modului în care credem că a apărut Universul, ceea ce înseamnă că, pur și simplu, nu avem instrumentele pentru a o măsura direct.

Cu toate acestea, putem face măsurători indirecte care ne vor oferi o limită superioară pentru această masă ipotetică și exact asta a făcut un grup de astronomi.

O echipă de la Universitatea de Știință și Inginerie Sichuan, Academia Chineză de Științe și Universitatea Nanjing a analizat datele culese de Parkes Pulsar Timing Array și datele despre exploziile radio rapide din mai multe surse pentru a determina cât de masiv poate fi fotonul.

O matrice de sincronizare a pulsarilor este o serie de antene de radiotelescoape pentru monitorizarea stelelor neutronice care trimit fascicule pulsatoare de radiații electromagnetice, extrem de precise, de ordinul milisecundelor. Exploziile radio rapide sunt rafale extrem de puternice de radiaţii electromagnetice, de origine necunoscută, care sunt detectate în vastele spaţii intergalactice.

Pulsar. Credit: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images

Proprietatea examinată de cercetători este cunoscută sub numele de măsura de dispersie, unul dintre atributele cheie ale pulsarilor și ale exploziilor radio rapide. Se referă la cât de mult este împrăștiat un fascicul de unde radio de electronii liberi dintre noi și sursa de radiaţii electromagnetice.

Dacă fotonii au masă, propagarea lor prin spațiul cosmic cu plasmă ar fi afectată atât de masă, cât și de electronii liberi din plasmă. Acest lucru ar duce la un timp de întârziere proporțional cu masa fotonului.

O matrice de sincronizare a pulsarilor caută întârzieri în sincronizarea impulsurilor pulsarilor (unul față de celălalt). De asemenea, împrăştierea semnalelor de la rafalele radio rapide poate dezvălui o întârziere proporțională cu masa fotonului.

Studiind cu atenție aceste date, cercetătorii au reușit să obțină limita superioară de 9,52×10^–46 kg.

Rețineți că acest lucru nu înseamnă că fotonul are masă. Înseamnă doar că avem o nouă limită superioară pentru masa fotonului, dacă acesta ar avea masă.

„Este pentru prima dată”, scriu autorii , „că interacțiunea dintre o masă fotonică diferită de zero și plasmă a fost luată în considerare și calculată pe măsură ce fotonul se propagă prin mediul de plasmă”.

Rezultatul nu este cu mult mai mic decât o măsurătoare publicată în 2023, dar este un rafinament. Aceasta înseamnă că oamenii de știință care investighează efectele unei mase ipotetice a fotonului au un interval mai precis de studiu.

De asemenea, studiul demonstrează, spun astronomii, necesitatea unor radiotelescoape foarte precise. Nu este posibil să putem cântări un foton în curând, dar obținerea constantă de date de calitate superioară ne va permite să restrângem și mai mult măsurarea și, odată cu aceasta, efectele sale potențiale asupra înţelegerii Universului.

Cercetarea a fost publicată în The Astrophysical Journal.

Traducere după How Heavy Can a Particle of Light Be? Scientists Just Figured It Out