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0369. Ho sentito parlare di elicità del fotone. Cosa è?

Ho sentito parlare di elicità del fotone. Cosa è? (Samuele Raccosta) (2154_3231_5309)


sem_esperto_verde L’elicità (dal greco elixikos, spirale) è il numero che definisce la proiezione del vettore di spin S icona_glossario lungo la direzione di moto p di una particella elementare icona_esperto[24] . Se lo spin è parallelo alla direzione di moto si dice che la particella è polarizzata longitudinalmente, se lo spin è perpendicolare alla direzione di moto, la polarizzazione è trasversale. Poiché lo spin S lungo la direzione di moto p può assumere solo due valori, uno concorde e l’altro discorde, che per i fotoni icona_glossario sono i due numeri interi ±1, i raggi γ (fotoni) possono essere soltanto polarizzati longitudinalmente ed i due valori dello spin lungo la direzione di moto p indicano l’elicità ±1. Così l’elicità +1 corrisponderà allo stato di spin nello stesso verso della direzione di moto p, mentre l’elicità -1 corrisponderà allo stato di spin di verso opposto alla direzione moto p.

Se pensiamo allo spin in termini classici, come momento angolare icona_glossario intrinseco della particella, e lo immaginiamo come rotazione intrinseca della particella attorno all’asse di moto, il moto di un fotone γ di elicità +1 rappresenta un fotone che sta avanzando ruotando in modo antiorario attorno alla direzione di moto. Ovvero un fotone di elicità +1 significa che esso sta avanzando nello spazio come farebbe una vite, che si avvita ruotando il cacciavite verso destra (elicità destrorsa).

In modo analogo, il moto di un fotone di elicità -1 significa che il fotone sta ruotando in senso orario attorno alla direzione di moto, ovvero esso sta avanzando nello spazio come farebbe una vite, che si avvita ruotando il cacciavite verso sinistra (elicità sinistrorsa).

A questo punto osserviamo che il fotone γ è un’onda elettromagnetica formata da un campo elettrico E ed un campo magnetico H che vibrano giacendo nel piano ortogonale alla direzione di moto icona_esperto[156]icona_esperto[169]. Se il campo elettrico (o campo magnetico) rimane sempre in direzione fissa in questo piano durante il moto, si dice che il fotone è linearmente polarizzato. Se il campo elettrico (o campo magnetico) cambia la sua direzione ruotando in questo piano durante il moto, allora si dice che il fotone è circolarmente polarizzato. Allora, in questo caso, un fotone γ di elicità +1 indica anche che il verso del suo campo elettrico (o magnetico) ruota in senso antiorario (destrorso) rispetto alla sua direzione di moto, ed analogamente un fotone γ di l’elicità -1 indica che il verso del suo campo elettrico (o magnetico) ruota in senso orario (sinistrorso) rispetto alla sua direzione di moto, come illustrato in a) e b). Se invece osserviamo la radiazione elettromagnetica emessa da una sorgente naturale, essa in generale non è polarizzata, perché è composta dalla sovrapposizione di onde elettromagnetiche, i cui i vettori campi elettrici E sono diretti in tutte le direzioni, pur restando a vibrare nel piano perpendicolare alla direzione di propagazione della radiazione, come schematizzato in c).

ScienzaPerTutti_polarizzazione_elicita_fotone

a) elicità destrorsa, S=+1 e b) elicità sinistrorsa, S=-1 di un’onda circolarmente polarizzata. Il campo elettrico E ruota attorno all’asse del moto dell’onda, visto come uscente perpendicolarmente al foglio. c) radiazione non polarizzata. I campi elettrici E sono diretti in tutte le direzioni ortogonali al moto della radiazione, visto come uscente perpendicolarmente al foglio.

La legge della conservazione dell’elicità trova applicazioni nei decadimenti o scattering relativistico delle particelle elementari, dove essa stabilisce quali particelle di definita elicità possono prendere parte al processo d’interazione. La luce γ polarizzata trova interesse in astrofisica, perché la sua rivelazione può far conoscere la natura ed il tipo di sorgente celeste da cui proviene, come è il caso dell’emissione di sincrotrone, da una stella di neutroni con un alto campo magnetico o quella di una binaria in cui una stella getta materia nella sua compagna, che è diventata un buco nero.

Andrea La Monaca – Fisico

Nota redazionale SxT

Per i webnauti piu esperti suggeriamo i seguenti testi:

- B. A. Robson, The theory of polarization phenomena, Clarendon press, Oxford, 1974 - A. La Monaca et al., A new photoelectron imager for astronomical polarimetry, Nucl. Inst. Meth. A 416 (1998) 267


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