Helizität

Helizität, englisch helicity, ist die Spinprojektion eines Teilchens entlang seiner Bewegungsrichtung. Formal ist sie der Eigenwert des Helizitätsoperators H = (S · p)/|p|, wobei S der Spinoperator und p der Impuls des Teilchens ist. Für Teilchen mit Spin s kann die Helizität Werte von -s bis +s annehmen, zum Beispiel bei Elektronen (s = 1/2) h ∈ { -1/2, +1/2 } und bei Photonen (s = 1) h ∈ { -1, +1 }.

Massenträgheit und Lorentz-Invariance

Für masselose Teilchen ist die Helizität Lorentz-invariant: sie bleibt unter allen gültigen Inertialreferenzen unverändert. Da masselose Teilchen kein Ruhesystem besitzen, gibt es keinen Bezug zur Ruheorientierung. Bei massiven Teilchen ist die Helizität hingegen frameabhängig: durch einen sufficiently schnellen Boost kann die Richtung von Spin relativ zum Impuls umgekehrt werden, sodass sich der Helizitätswert ändern kann.

Beziehung zu Parität und Chirale Zustände

Parität flips das Vorzeichen der Helizität, da sie Impulsrichtung und damit p → -p austauscht. Helizität und Chirality stimmen bei masselosen Teilchen überein; bei massiven Teilchen weichen sie auseinander, auch wenn bei hohen Energien (E ≈ groß gegenüber m) die Helizität oft mit der chiralen Struktur korreliert. Schwache Wechselwirkungen bevorzugen linke Helizität bzw. linke chirale Zustände, was besonders bei Neutrinos relevant ist.

Beispiele und Messung

Photonen besitzen zwei zirkulare Polarisationen (Helizität ±1). Elektronen und andere fermionen tragen Helizitäten von ±1/2. Die Messung der Helizität erfolgt über Analyse von Zerfallsprodukten, Streuungswinkeln und Polarisationseigenschaften von Teilchenstrahlen, sowie durch Untersuchungen von Zerfall- oder Kollisionskinematik.