Les particules sans masse avec spin n'ont pas l'état "$ S_z = 0 $" car elles n'ont pas de spin comme les particules massives . Ils ont hélicité , qui est la valeur de la projection de l'opérateur de spin sur l'opérateur de moment. La raison en est la théorie de la représentation du groupe de symétrie spatio-temporelle, le groupe de Poincaré.
Pour comprendre cela, il faut d'abord rappeler que "spin" est le nombre qui étiquette les représentations irréductibles de $ \ mathrm {SU} (2) $, la double couverture du groupe de rotation $ \ mathrm {SO} (3) $. Mais, dans la théorie quantique relativiste des champs, qui est la théorie nécessaire pour décrire les photons, ce groupe de rotation n'est pas le groupe de symétrie de l'espace-temps que nous devons représenter. Au lieu de cela, nous devons chercher des représentations de la composante identitaire connexe du groupe de Poincaré $ \ mathrm {SO} (1,3) \ rtimes \ mathbb {R} ^ 4 $, c'est-à-dire de la transformation orthochrone de Lorentz propre avec les traductions. p>
Maintenant, pour les représentations de dimension finie du groupe de Lorentz, nous avons de la chance en ce qu'il existe une équivalence "accidentelle" des représentations algébriques de $ \ mathfrak {so} (1,3) $ et $ \ mathfrak { su} (2) \ times \ mathfrak {su} (2) $, nous permettant d'étiqueter les représentations de dimension finie dans lesquelles les champs relativistes classiques se transforment par paires de demi-entiers $ (s_1, s_2) $ où $ s_i \ in \ frac {1} {2} \ mathbb {Z} $ étiquette une seule $ \ mathfrak {su} (2) $ représentation. L'algèbre de rotation réelle se trouve en diagonale dans ce $ \ mathfrak {su} (2) \ times \ mathfrak {su} (2) $, donc le spin physique d'une telle représentation est $ s_1 + s_2 $. Ceci détermine le spin classique associé à un champ .
Comme souvent, la théorie quantique complique les choses: le théorème de Wigner implique que nous devons maintenant chercher des représentations unitaires du groupe de Poincaré sur notre espace d'états de Hilbert. À l'exception de la représentation triviale correspondant au vide, aucune des représentations de dimension finie n'est unitaire (essentiellement parce que le groupe de Poincaré est non compact et n'a pas de sous-groupes normaux compacts). Nous devons donc nous tourner vers des représentations de dimension infinie, et ici nous n'avons pas l'équivalence entre $ \ mathfrak {so} (1,3) $ et $ \ mathfrak {su} (2) \ times \ mathfrak {su } (2) $ . Les techniques exploitées pour réaliser cette équivalence reposent explicitement sur la dimensionnalité finie de la représentation. En particulier , il n’existe pas d’isomorphisme tel que $ \ mathrm {SO} (1,3) \ cong \ mathrm {SU} (2) \ times \ mathrm {SU} (2) $, peu importe de la fréquence à laquelle vous lirez des déclarations similaires dans des livres de physique. Pour en savoir plus sur ce problème, voir par exemple cette réponse de Qmechanic.
Il s'avère que la classification des représentations unitaires n'est pas une tâche aussi simple. La classification complète est appelée classification de Wigner, et il s'avère que pour construire des représentations unitaires irréductibles, il est pertinent de regarder le petit groupe correspondant à l'élan d'une particule - le sous-groupe du groupe de Lorentz qui laisse la dynamique de la particule invariante. Pour une particule massive, c'est $ \ mathrm {SO} (3) $, et il s'avère que nous pouvons également étiqueter la représentation unitaire avec notre spin familier $ s $.
Mais pour une particule sans masse, l'impulsion $ (p, -p, 0,0) $ n'est pas invariante sous $ \ mathrm {SO} (3) $, mais sous un groupe appelé $ \ mathrm {ISO} ( 2) $ ou $ \ mathrm {SE} (2) $, qui est essentiellement $ \ mathrm {SO} (2) $ avec des traductions. Étant abélien, $ \ mathrm {SO} (2) $ n'a que des représentations irréductibles unidimensionnelles, étiquetées par un seul nombre $ h $, qui s'avère physiquement être la valeur propre de l'hélicité. Il existe des cas plus généraux pour $ \ mathrm {ISO} (2) $, appelés les représentations de spin continu (CSR), mais ils n'ont jusqu'à présent pas été physiquement pertinents.
Maintenant, ce nombre unique $ h $ retourne son signe sous la parité, donc pour les particules associées à des champs classiques avec un spin non nul, nous devons prendre à la fois les représentations $ h $ et $ -h $. Et c'est tout - les particules sans masse d'hélicité $ h $ ont la représentation $ h \ oplus -h $ sur leur espace d'états, pas une représentation de spin de $ \ mathrm {SO} (3) $. L'évaluation de l'opérateur de spin réel montre que notre idée classique de spin coïncide avec le nombre $ h $.
Donc, sans avoir dit quoi que ce soit sur le photon ou le champ électromagnétique en particulier, nous savons que les particules sans masse de spin non nul ont deux degrés de liberté . Ceci est complètement général , et au cœur de l'argument selon lequel tous les bosons vectoriels sans masse sont des bosons de jauge :
Nous savons qu'un champ vectoriel générique a trois d.o.f. - les composantes de champ indépendantes qui se transforment les unes dans les autres sous la transformation de Lorentz, d'où trois ensembles indépendants d'opérateurs de création et d'annihiliation qui se transforment les uns dans les autres, d'où nous attendons trois types distincts d'états de particules.
Mais les deux d.o.f. d'une particule de spin 1 sans masse ne correspond pas à cela - donc l'un des d.o.f. d'un champ vectoriel sans masse doit être "faux". La façon dont les d.o.f.s des champs sont "faux" est que le champ est un champ de jauge et qu'il y a 1 d.o.f. dans la liberté de choisir une jauge. L'histoire de la quantification de la théorie de la jauge - même dans le cas abélien de l'électromagnétisme - est subtile, et vous avez raison de ne pas accepter aveuglément l'argument selon lequel les deux polarisations classiques du champ de jauge - la longitudinale est éliminée par symétrie de jauge - deviennent types distincts d'états de particules dans la théorie quantique: le découplage des états que l'on associerait naïvement aux modes longitudinaux est assuré par les identités de Ward, et pas du tout évident a priori.
C'est par cela que les propriétés d'être un boson de jauge et de ne pas avoir de $ S_z = 0 $ et d'être sans masse sont toutes liées: être l'une de ces choses force immédiatement les deux autres. Dans cette réponse, j'ai considéré "être sans masse" comme la propriété fondamentale, puisque cela montre "no $ S_z = 0 $" sans rien supposer de plus spécifique sur le champ - en particulier, sans restreindre a priori les champs de jauge ou l'électromagnétisme.