Ποιος είναι ο χρόνος ζωής του φωτονίου; What is the lifetime of a photon?

New work suggests that photons live for one billion billion (1018) years. (Courtesy: iStockphoto/jdillontoole)

Tο φωτόνιο – το κβάντο του φωτός ή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας – είναι γνωστό πως έχει μάζα ηρεμίας μηδέν.

Όμως υπάρχουν κάποιες θεωρίες που επιτρέπουν στα φωτόνια να έχουν μια μικρή μάζα ηρεμίας. Συνέπεια αυτής της θεώρησης είναι ότι τα φωτόνια θα μπορούσαν να διασπώνται σε ελαφρότερα στοιχειώδη σωματίδια.

Οπότε τίθεται το ερώτημα, αν μια τέτοια διάσπαση ήταν εφικτή, ποιος θα ήταν ο χρόνος ζωής του φωτονίου;

Superconducting mirrors made of copper covered by a thin layer of niobium. These mirrors are able to store microwave photons up to one-tenth of a second (Image: Michel Brune)

Στο ερώτημα αυτό απαντούν φυσικοί από την Γερμανία, εκτιμώντας πως το κατώτερο όριο στον χρόνο ζωής του φωτονίου είναι τρία χρόνια στο σύστημα αναφοράς του φωτονίου, που μεταφράζεται σε περίπου 10¹⁸ χρόνια στο δικό μας σύστημα αναφοράς.

Είναι δύσκολο να δεχθεί κανείς την ιδέα ότι τα φωτόνια έχουν πεπερασμένη διάρκεια ζωής, δεδομένου ότι οι αστρονόμοι, παρατηρώντας μακρινά κοσμικά αντικείμενα, ανιχνεύουν φωτόνια που έχουν ηλικία δισεκατομμυρίων ετών.

Αλλά μερικές θεωρίες υποδεικνύουν ότι τα φωτόνια θα μπορούσαν να έχουν μια μικρή μεν, αλλά μη μηδενική μάζα ηρεμίας – το ανώτατο όριο που θέτουν στη μάζα του φωτονίου πειράματα με ηλεκτρομαγνητικά πεδία είναι 10^-18 eV ή 10^-54 kg.

Και με αυτή την μικρή μάζα, ένα φωτόνιο θα μπορούσε να διασπαστεί σε άλλα ελαφρύτερα στοιχειώδη σωματίδια, όπως ένα ζεύγος νετρίνου – αντινετρίνου (τα πιο ελαφρά γνωστά στοιχειώδη σωματίδια) ή σε άλλα – προς το παρόν άγνωστα σωματίδια – πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής.

Έρχεται λοιπόν τώρα, ο Julian Heeck από το Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής Max Planck στη Χαϊδελβέργη, και μετατρέπει κοσμολογικές παρατηρήσεις σε επιχειρήματα υπέρ της διάσπασης φωτονίων.

Χαρτογράφηση της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου από το δορυφόρο WMAP.

Συγκεκριμένα, εξέτασε την Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου, τα απομεινάρια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας της Μεγάλης Έκρηξης, από την εποχή που το σύμπαν ήταν πολύ νέο – περίπου 380.000 ετών.

Πριν από αυτή την εποχή, η ύλη και η ακτινοβολία ήταν άρρηκτα συνδεδεμένες μεταξύ τους. Αλλά καθώς το σύμπαν διένυε την περίοδο της πληθωριστικής διαστολής – μια περίοδος εκθετικά γρήγορης διαστολής – το καυτό πλάσμα ηλεκτρονίων και ελαφρών πυρήνων ψύχθηκε τόσο ώστε να μπορούν να σχηματιστούν ουδέτερα άτομα.

Αυτή η «αποσύνδεση» της ύλης και της ακτινοβολίας επέτρεψε στα φωτόνια να ταξιδεύουν ελεύθερα στο σύμπαν. Με τη πάροδο του χρόνου, τα μήκη κύματός τους μεγάλωναν εξαιτίας της διαστολής του σύμπαντος, για να φτάσουν σήμερα στην περιοχή των μικροκυμάτων του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος – που εντοπίζονται προς οποιαδήποτε κατεύθυνση ως μια αμυδρή θερμική ακτινοβολία μέλανος σώματος.

Περισσότερα από 100 πειράματα έχουν μελετήσει την Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου (ΚΑΜ), αφότου αυτή ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά, μεταξύ αυτών το COBE (Cosmic Background Explorer) της NASA, το WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) και η αποστολή Planck της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, με τα οποία έχουν γίνει όλο και πιο ακριβείς μετρήσεις αυτής της ακτινοβολίας.

Στην πραγματικότητα, το φάσμα της Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου (ΚΑΜ) είναι το πιο ακριβές φάσμα μέλανος σώματος που έχει μετρηθεί μέχρι σήμερα στη φύση.

Είναι αυτό το φάσμα που ο Heek χρησιμοποίησε ως οδηγό στους υπολογισμούς του – συγκεκριμένα χρησιμοποίησε τα εξαιρετικά ακριβή δεδομένα της αποστολής COBE και τα συνέκρινε με το φάσμα που υπολόγισε, παίρνοντας υπόψιν την διάσπαση των φωτονίων.

Εάν το φωτόνιο έχει μάζα και διασπάται σε ελαφρύτερα σωματίδια, τότε η πυκνότητα των φωτονίων της ΚΑΜ θα πρέπει να μειώνεται με την πάροδο του χρόνου. Αλλά αυτό με τη σειρά του θα σημαίνει πως το φάσμα της ΚΑΜ δεν θα ταυτίζεται τελείως με το φάσμα ενός ιδανικού μέλανος σώματος.

Αν η ΚΑΜ εκφράζει ένα σχεδόν τέλειο μαύρο σώμα, έστω και πολύ λίγα φωτόνια θα έχουν διασπαστεί κατά τη διάρκεια των 13,8 δισεκατομμυρίων ετών ύπαρξης του σύμπαντος και έτσι από τις μετρήσεις της ΚΑΜ θα μπορούσε να προσδιοριστεί η διάρκεια της ζωής του φωτονίου.

Photon absorption for 800 MeV photon energy.

Χρησιμοποιώντας τις εκτιμήσεις της μάζας και τους περιορισμούς της ΚΑΜ, ο Heek υπολόγισε ότι ο χρόνος ζωής του φωτονίου, στο σύστημα αναφοράς του φωτονίου, είναι τρία έτη. Αλλά, καθώς αυτά τα φωτόνια, με τις μικροσκοπικές τους μάζες κινούνται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός, παίρνοντας υπόψιν την διαστολή του χρόνου, στο δικό μας σύστημα αναφοράς αυτός ο χρόνος ισοδυναμεί με 10¹⁸ ή ένα δισεκατομμύριο δισεκατομμύρια χρόνια.