与电子不同，光子虽然有自旋，但没有磁矩。为什么？

J. Murray 2021-05-31 23:58:12

对于带电基本粒子（电子、μ 子等）或不带电复合（带电基本粒子）粒子（例如中子），磁矩和自旋彼此成正比。

对于标准模型上下文中的基本粒子，旋磁比（磁矩与自旋的比值）本身与粒子的电荷成正比。中性基本粒子（中微子、光子和Z$Z$玻色子）有自旋但没有磁矩，因为它们没有电荷 - 本质上，μ=0⋅s=0$\mu =0\cdot s=0$。

对于复合粒子，情况比较复杂，因为磁矩是由组成它们的基本粒子产生的，所以没有这么简单的规则可以遵循。一些中性重子（例如中子s=1/2$s=1/2$）具有磁矩，而其他重子（例如“激发中子” Δ0,s=3/2${\mathrm{\Delta }}^0,s=3/2$）则没有。

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但我读过，尽管电荷为零，但中微子可能具有非零磁矩。这如何适合你的答案？

粒子的磁偶极矩是其与外部磁场相互作用的量度。在最粗略的层面上，它产生于粒子与电磁场之间的直接耦合，并与其电荷和自旋成正比；这种交互发生在 QFT 的树级别，并且是我在原始答案中提到的数量。

超出树级别，事情变得更加复杂。包含光子环的图表会做出小的修正，从而产生所谓的粒子异常磁矩。所有这些修正都涉及粒子与电磁场之间更高的耦合功率，因此中性粒子仍然无法从中获得磁矩。

但是，我们不能忘记弱相互作用。我们可以考虑粒子与带电轻子(ℓ)$(\ell )$和W±$W^{\pm }$玻色子相互作用的过程，这些轻子和玻色子又发生电磁相互作用。中微子的这种过程的一个例子如下图所示：

由于弱耦合的相对弱点（因此得名），与它们更直接的电磁对应物相比，这些过程受到高度抑制，但它们原则上仍然存在，对于中性粒子，它们是唯一的电磁相互作用方式，因此（非常、非常、非常小的）磁矩的唯一来源。

话虽如此，只有当中微子的质量（可能非常小）时，这些过程才有可能。在标准模型中，中微子是无质量的，这意味着即使是这些高阶过程也是被禁止的，并且中微子对于微扰理论中的任何阶确实没有磁矩——因此我的原始限定词“在标准模型的背景下”。话又说回来，标准模型被称为是在这方面不准确的。

标准模型可以最小限度地扩展到包括小 (Dirac) 质量，此时上述由于弱相互作用引起的异常磁矩变为非零。但它也可以以不同的方式扩展，并且由此产生的中微子磁矩预测的大小（包括它是否消失）取决于你选择的扩展。

在这一点上，我有点超出我的深度，离粒子物理学家还很远，所以对中微子质量和标准模型的各种扩展的更详细的讨论最好留给不同的作者和不同的问题。

mithusengupta123 2021-05-30 15:23:51

你是说要使中性基本粒子具有磁矩，它们必须具有非零电荷。但我读过，尽管电荷为零，但中微子可能具有非零磁矩。这如何适合你的答案？

Triatticus 2021-05-30 15:43:56

@mithusengupta123 中微子可以通过高阶效应获得磁矩，这不一定是它自旋的结果，而是它与之相互作用的粒子的自旋。

J. Murray 2021-05-31 15:58:30

@mithusengupta123 我已根据你的跟进编辑了我的答案。