مهروماه

امکان واپاشي فوتون‌ها به ذرات سبک‌تر، يکي از جنجالي‌ترين موضوعات فيزيک نوين به شمار مي‌رود که تا کنون تلاش‌هاي بسياري براي اثبات آن صورت گرفته است. يوليان هيک آلماني يکي از محققاني است که سعي مي‌کند با استناد به طيف تابش ميکروموج زمينه (CMB) نشان دهد فوتون‌ها مي‌توانند با احتمال قابل قبولي در طول عمر خود دچار واپاشي شوند.

آيا يک فوتون مي‌تواند واپاشي کند؟

تصور اين موضوع که يک فوتون دچار واپاشي شود بسيار سخت است، به ويژه هنگامي که نور ستارگان دوردست را در نظر مي‌گيريم که ميليون‌ها کيلومتر را در فضا طي مي‌کنند تا به ما برسند. با اين حال اگر فوتون‌ها داراي جرم باشند، حتي اگر اين جرم بسيار کوچک و غير قابل مشاهده باشد، احتمال واپاشي آن‌ها به ذرات سبک‌تر وجود دارد. اگر بخواهيم دنبال نشانه‌هايي براي اين نوع واپاشي بگرديم، بايد به قديمي‌ترين نور موجود در کائنات يعني تابش ميکروموج زمينه (CMB) مراجعه کنيم.

در مقاله‌اي که اخيرا در فيزيکال ريويو لترز چاپ شده است، يوليان هيک (Julian Heeck) از موسسه ماکس پلانک براي فيزيک هسته‌اي در هايلدبرگ آلمان نشان مي‌دهد که اگر به طيف جسم سياه CMB دقت کنيم، مي‌بينيم که واپاشي فوتون‌ها امري غير محتمل نيست و بنابراين مي‌توان يک حد پايين براي طول عمر فوتون‌ها در نظر گرفت.

همان‌طور که مي‌دانيم، براي آنکه يک فوتون بتواند دچار واپاشي شود بايد داراي جرم باشد. چرا که در غير اين صورت هيچ ذره سبک‌تري وجود نخواهد داشت که فوتون بتواند به آن فرو بپاشد. وجود يک فوتون با جرم غير صفر از لحاظ نظري کاملا ممکن است، اما آزمايش‌هايي که با کمک ميدان‌هاي الکتريکي و مغناطيسي صورت گرفته است، جرم فوتون را تا کمتر از ده به توان منفي پنجاه و چهار کيلوگرم محدود مي‌کنند. هيک با فرض اين حد بالا براي جرم فوتون، يک مدل کاملا عمومي در نظر گرفت که در آن فوتون‌ها مي‌توانند به ذرات سبک‌تري چون نوترينوها و يا ذرات ناشناخته واپاشي کنند.

به عنوان يک قيد، هيک تابش CMB را در نظر گرفت که در واقع يک تابش بسيار قديمي گسيل شده از پلاسماي داغ و تيره‌اي است که تا چند صد هزار سال پس از بيگ بنگ وجود داشته است. طيف CMB به خوبي با طيف تابش يک جسم سياه ايده‌آل همخواني دارد.

اين امر بيانگر آن است که تعداد بسيار اندکي از فوتون‌هاي CMB در طي سفر سيزده ميليارد ساله خود دچار واپاشي شده‌اند. طبق محاسبات هيک، حداقل طول عمر اين فوتون‌ها پيش از آنکه دچار واپاشي شوند، در چارچوب لخت فوتون، سه سال بوده است. اين زمان به نظر بسيار کوتاه مي‌رسد، اما بايد در نظر داشته باشيم که فوتون‌ها موجوداتي به شدت نسبيتي هستند. بنابراين هنگامي که اتساع زماني را به حساب آوريم، يک فوتون نور مرئي در چارچوب مرجع ما براي مدت ده به توان هجده سال يا بيشتر پايدار خواهد بود.