光子真的无质量吗？新研究将质量上限降低

以光子为代表的光的本质，几个世纪以来一直吸引着科学家，一个仍在探索的基本问题是光子是否具有质量。虽然流行的理论，即粒子物理学的标准模型，认为光子是无质量的，但标准模型之外的理论假设光子有一个很小但非零的质量。最近发表的一项研究，利用超宽带脉冲星计时数据和快速射电暴去分散脉冲来限制光子质量的上限。

该研究的关键在于非零质量光子在空间中传播的影响，特别是在等离子体介质(如星际气体)中。与无质量的光子相比，具有质量的光子会经历延迟，延迟与光子质量的平方成正比，与频率的四次方成反比。标准色散关系决定了光如何在不同介质中传播，这种偏离为限制光子质量提供了机会。

该研究采用了两种强大的工具：

• 超宽带脉冲星计时数据：脉冲星是快速旋转的中子星，它们会发射出辐射束。通过精确测量这些脉冲到达地球的时间，天文学家可以检测到由各种因素（包括星际介质）引起的微小偏差。与传统方法相比，超宽带观察提供更宽的频率范围，为潜在的质量诱导延迟提供更灵敏的探测器。来自帕克斯脉冲星计时阵列（PPTA）的数据是该研究中使用的主要示例。
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• **快速射电暴去色散脉冲：快速射电暴是短暂的毫秒级射电闪光，其来源尚不清楚。这些闪光可以用来探测星际介质，因为它们在太空中传播。通过消除介质中光色散引起的涂抹效应，可以分析快速射电暴的固有脉冲轮廓。研究宽频快速射电暴脉冲可以更精确地测量任何潜在的质量诱导延迟。

研究小组开发了一个新的公式，该公式将非零质量光子与等离子体介质之间的相互作用纳入其中。利用这个公式和来自脉冲星的高精度计时数据以及去分散的快速射电暴数据，研究人员能够对光子质量的上限进行严格限制。他们的分析表明，光子的质量上限值为9.52 × 10^-46 kg，这相当于5.34 × 10^-10 eV/c^2。与以前通过其他方法获得的约束相比，这是一个显著的改进。

这项研究的影响深远，本研究中采用的技术，特别是使用超宽带数据和快速射电暴，为未来更精确的测量铺平了道路。随着脉冲星计时阵列用超宽带接收器收集更多数据，以及新的快速射电暴被探测到，未来的研究可能会将光子质量的上限进一步降低，从而更接近一个确定的答案。

然而，挑战依然存在。星际介质色散测量(DM)中的不确定性会在分析中引入噪声。此外，快速射电暴本身的真实性质仍在争论中，在使用快速射电暴数据时需要仔细考虑仪器效应。

总而言之，用超宽带脉冲星计时数据和去分散快速射电暴脉冲约束光子质量的研究，代表了我们对这一基本粒子的理解取得了重大进展。通过利用高精度数据和新颖的分析技术，该研究对光子质量进行了迄今为止最严格的限制。