¿Por qué los fotones no se dividen en múltiples versiones de energía más baja de sí mismos?

Después de la división hipotética, 2 fotones con la misma energía se propagarían en un ángulo correcto con la conservación del momento. Entonces habría un marco de descanso donde el ángulo es de 180 grados. Ahora bien, si te quedas en este marco de reposo y retrocedes en el tiempo antes de la división, tu único fotón estaría en reposo. Sin embargo, eso no es posible: según la relatividad, la velocidad de la luz es constante para todos los fotogramas. Por lo tanto, no puede haber división de un solo fotón en dos en el vacío (es decir, sin transferencia de impulso durante la división). Matemáticamente, la razón es que el grupo de Lorentz no es compacto, lo que significa que el parámetro gamma puede tomar cualquier valor de [1, infinito) pero no el infinito en sí mismo, lo que correspondería a un marco de coordenadas que se mueve a la velocidad de la luz con todas las partículas masivas que tienen infinito energía cinética.

Un fotón es una partícula elemental. Tanto elemental y tanta partícula como el electrón.

Una sola partícula elemental tiene una masa fija y no puede emitir otra partícula sin violar la conservación de la energía, porque su masa es fija. En el centro de masa de una partícula elemental masiva, el electrón, no hay energía para una emisión, para un electrón que irradia en un campo, la energía es suministrada por el campo.

Si una partícula elemental de masa cero como el fotón pudiera dividirse en dos, de repente aparecerá una masa invariante y antes de la división tiene una masa invariante cero, después de la división una masa invariante medible. Esto significa que se violan tanto la conservación de la cantidad de movimiento como la de la energía , ya que la masa invariante es la medida de los cuatro vectores, antes y después de la división. Un fotón también puede interactuar con un campo en diagramas de orden superior, pero no puede dividirse en el sentido previsto.

Editar después de la discusión en los comentarios:

Supongamos que un fotón podría decaer en dos fotones.

Estos fotones tendrán cuatro vectores. Hay dos situaciones: sus tres momentos son paralelos en el laboratorio al fotón original, o existe un ángulo de los tres momentos con el fotón original y también entre ellos. En el último caso, los dos fotones de decaimiento definen un centro de masa (similar a un pi0 en reposo). En este sistema los dos momentos suman cero, pero habrá energía dando una masa invariable al sistema, lo que viola la conservación de la energía ya que el fotón original tenía 0 masa invariable, es decir, no puede suministrar esta energía. El fotón original en el centro de masa de los fotones decaídos seguirá moviéndose con una velocidad c y, por lo tanto, tendrá un impulso diferente de cero, por lo que también se viola la conservación del impulso.

En el caso de dos fotones colineales en el laboratorio, su masa invariante será cero en el límite del ángulo entre ellos siendo exactamente 0, de lo contrario se cumple el argumento anterior. Si es exactamente 0 no se puede definir ningún centro de masa porque un sistema de masa cero se mueve con la velocidad de la luz.

Entonces la pregunta es: ¿por qué un fotón de frecuencia nu no se convierte en dos fotones exactamente colineales en el laboratorio de menor frecuencia? Experimentalmente, esto no se ha observado, por lo que si puede suceder, es un proceso de muy, muy baja probabilidad. En los comentarios, Lubos Motl da esta declaración: "Para los fotones, esta amplitud es 0 debido a la simetría de calibre abeliana y otras simetrías". Todavía estoy buscando un enlace sobre esto.

En la siguiente respuesta se excluye el caso colineal por relatividad especial,

Matemáticamente, la razón es que el grupo de Lorentz no es compacto, lo que significa que el parámetro gamma puede tomar cualquier valor de [1, infinito) pero no el infinito en sí mismo, lo que correspondería a un marco de coordenadas que se mueve a la velocidad de la luz con todas las partículas masivas que tienen infinito energía cinética.

Los fotones vienen con quiralidad, por lo que también debe considerar la conservación del momento angular. Para$1\gamma \to 2\gamma$dispersión, esto no será posible. (Supongo que solo hay producción de fotones colineales; es obvio que cuando dos no son colineales, se violará la conservación de la energía y el momento)

se parece a la reaccion$\gamma \to 2\gamma$no solo está prohibido dinámicamente (teorema de Furry), sino también cinemáticamente prohibido.

Como señala Dexter Kim, la única forma de conservar la energía y el impulso es que los dos fotones se emitan en$0°$, en cuyo caso el momento angular a lo largo de la dirección del movimiento viene dado por el acoplamiento de los dos espines de los fotones.

El espín del fotón puede asumir sólo los valores$m=\pm 1$. Mirando a la$1+1\to 1$Clebsch Gordan, nos damos cuenta de que el único acoplamiento posible de los espines de dos fotones con$j=1$posee$m=0$. Pero, de nuevo, el fotón inicial tiene$m=\pm 1$. Por lo tanto, el momento angular no se puede conservar junto con cuatro momentos en$\gamma \to 2 \gamma$.

Cada fotón tiene un momento angular intrínseco, espín, que es distinto de cero. Es 1 para un fotón. Es por eso que la regla de selección para un átomo que emite un fotón es Delta j = +/- 1. Por lo tanto, es un caso de violación del momento angular si un fotón se va a dividir en dos o más, mientras que la conservación de la energía aún se mantiene. Un sistema que contiene un fotón tiene un momento angular total de 1, pero si este fotón se divide en 2 fotones, el momento angular total será diferente.

Hay dos factores que intervienen en la descomposición de cualquier partícula. Está el elemento matriz, que proviene de la física fundamental, y la densidad de estados, que proviene de la cinemática, principalmente cuán pesada es la partícula madre en relación con las partículas hijas. Cualquiera de estos, siendo muy pequeño, ralentiza el decaimiento (o siendo cero evita que ocurra el decaimiento).

Un ejemplo:

El neutrón libre tiene un elemento de matriz aproximadamente igual al muón libre. Pero el muón se desintegra en partículas mucho más ligeras que él mismo (el muón tiene una masa de 106 MeV, y los productos de desintegración combinados solo tienen una masa de alrededor de 0,5 MeV). El neutrón, por otro lado, es apenas más pesado que sus productos: el neutrón tiene una masa de 939,6 MeV y sus productos suman 938,8 MeV.

¿El resultado? El muón tiene una vida útil de 0,0000022 segundos, mientras que el neutrón tiene una vida útil de 890 segundos. ¡ El neutrón vive 400 millones de veces más! En la jerga de la física de partículas, llamamos a una interacción como esta fase-espacio suprimido .

Una interacción como$\gamma \rightarrow \gamma + \gamma$está aún más suprimido en el espacio de fases. Entonces, el espacio de fase suprimió, de hecho, que la tasa de decaimiento de esta interacción se computa formalmente a cero incluso si el elemento de la matriz no es cero. (En el modelo estándar, el elemento de matriz para$\gamma \rightarrow 2\gamma$es cero de todos modos, y sabemos por experimento que es muy pequeño independientemente)

Este mismo argumento funciona para un fotón que se divide en cualquier número de fotones. Por lo tanto, también prohíbe que un fotón se divida en tres o cuatro o más fotones.

Ciertamente es termodinámicamente posible que un fotón de alta energía se desvanezca y se cree una multiplicidad de fotones de baja energía. Esto se puede observar como una cascada de eventos (absorción fotoeléctrica de un fotón, seguida de múltiples fotones de fluorescencia) en la termalización de un fotón de alta energía que interactúa con la materia. No es una simple reacción de entrada de fotones y salida de dos fotones, porque eso no se equilibra como una reacción de partículas (no puede conservar la energía, el momento y el momento angular).

La cascada habitual que termaliza la energía, en la materia, a partir de un fotón de rayos X, podría generar algunos otros fotones, pero principalmente genera fonones o estados atómicos inestables (electrones excitados). Puede haber fotones MUCHO más tarde; Los dispositivos termoluminiscentes acumulan exposición a rayos X durante semanas para crear fotones IR cuando la placa de radiación está en el lector.