Рассеяние Дельбрюка
Дельбрюка Рассеяние — отклонение фотонов высокой энергии в кулоновском поле ядер вследствие поляризации вакуума — наблюдалось в 1975 году. Сопутствующий процесс рассеяния света на свете , также являющийся следствием поляризации вакуума, не наблюдался до тех пор, пока 1998. [ 1 ] В обоих случаях это процесс, описываемый квантовой электродинамикой .
Открытие
[ редактировать ]С 1932 по 1937 год Макс Дельбрюк работал в Берлине ассистентом Лизы Мейтнер , сотрудничавшей с Отто Ганом по результатам облучения урана нейтронами. В этот период он написал несколько статей, одна из которых оказалась важным вкладом в исследование рассеяния гамма-лучей кулоновским полем из-за поляризации вакуума, создаваемого этим полем (1933). Его вывод оказался теоретически обоснованным, но неприменимым к данному случаю, но 20 лет спустя Ганс Бете подтвердил это явление и назвал его «рассеянием Дельбрюка». [ 2 ]
В 1953 году Роберт Уилсон наблюдал Дельбрюковское рассеяние гамма-лучей с энергией 1,33 МэВ электрическими полями ядер свинца.
Описание
[ редактировать ]Рассеяние Дельбрюка — это когерентное упругое рассеяние фотонов в кулоновском поле тяжелых ядер. Это один из двух нелинейных эффектов квантовой электродинамики (КЭД) в кулоновском поле, исследованных экспериментально. Другой — расщепление фотона на два фотона. Рассеяние Дельбрюка было введено Максом Дельбрюком для объяснения расхождений между экспериментальными и предсказанными данными в эксперименте по комптоновскому рассеянию на тяжелых атомах, проведенном Мейтнер и Кестерс. [ 3 ] Аргументы Дельбрюка основывались на релятивистской квантовой механике Дирака, согласно которой вакуум КЭД заполнен электронами отрицательной энергии или – говоря современным языком – электрон-позитронными парами. Эти электроны с отрицательной энергией должны быть способны производить когерентно-упругое рассеяние фотонов, поскольку импульс отдачи во время поглощения и испускания фотона передается всему атому, в то время как электроны остаются в своем состоянии с отрицательной энергией. Этот процесс является аналогом атомного рэлеевского рассеяния с той лишь разницей, что в последнем случае электроны связаны в электронном облаке атома. Эксперимент Мейтнер и Кёстерс был первым в серии экспериментов, в которых расхождение между экспериментальными и предсказанными дифференциальными сечениями упругого рассеяния на тяжелых атомах интерпретировалось в терминах рассеяния Дельбрюка. С современной точки зрения эти ранние результаты не заслуживают доверия. Надежные исследования стали возможны только после того, как современные методы КЭД, основанные на диаграммах Фейнмана, стали доступны для количественного предсказания, а на экспериментальной стороне были разработаны детекторы фотонов с высоким энергетическим разрешением и высокой эффективностью регистрации. Так было в начале 1970-х годов, когда также работали компьютеры с высокой вычислительной мощностью, которые давали численные результаты для амплитуд рассеяния Дельбрюка с достаточной точностью.
-
-
Диаграмма низшего порядка имеет четыре вершины и состоит из двух входящих фотонов, которые аннигилируют в виртуальную пару электрон-позитрон , которая затем снова аннигилирует в два реальных фотона.
Первое наблюдение рассеяния Дельбрюка было достигнуто в эксперименте по рассеянию высокоэнергетических фотонов под малыми углами, проведенном в DESY (Германия) в 1973 году. [ 4 ] где важна только мнимая часть амплитуды рассеяния. Было получено согласие с предсказаниями Чэн Ву. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] которые позже были проверены Мильштейном и Страховенко. [ 10 ] [ 11 ] Эти последние авторы используют квазиклассическое приближение, сильно отличающееся от приближения Ченга и Ву. Однако можно показать, что оба приближения эквивалентны и приводят к одним и тем же численным результатам. Существенный прорыв произошел в Геттингене (Германия) в 1975 г., проведенном при энергии 2,754 МэВ. [ 12 ] В Геттингенском эксперименте рассеяние Дельбрюка наблюдалось как доминирующий вклад в процесс когерентно-упругого рассеяния в дополнение к незначительным вкладам, обусловленным атомным рэлеевским рассеянием и ядерным рэлеевским рассеянием. Этот эксперимент был первым, в котором были сделаны точные предсказания на основе диаграмм Фейнмана. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] были подтверждены с высокой точностью и поэтому их следует рассматривать как первое определенное наблюдение рассеяния Дельбрюка. Для всестороннего описания современного состояния рассеяния Дельбрюка видеть. [ 16 ] [ 17 ] В настоящее время наиболее точные измерения высокоэнергетического рассеяния Дельбрюка проводятся в Институте ядерной физики (ИЯФ) им. Будкера (ИЯФ) в Новосибирске (Россия). [ 18 ] В ИЯФ также был проведен эксперимент, в котором впервые действительно наблюдалось расщепление фотонов. [ 19 ] [ 20 ]
Ранее был опубликован ряд экспериментальных работ, посвященных Геттингенскому эксперименту 1975 года (или даже эксперименту Дези 1973 года). Самые известные Джексон и Ветцель в 1969 году. [ 21 ] и Море и Кахане в 1973 году. [ 22 ] В обеих этих работах использовались гамма-лучи более высоких энергий по сравнению с геттингенскими, что обуславливало больший вклад дельбрюковского рассеяния в общее измеренное сечение. В общем, в области ядерной физики низких энергий, то есть <10–20 МэВ, эксперимент Дельбрюка измеряет ряд конкурирующих когерентных процессов, включая также рэлеевское рассеяние на электронах, томсоновское рассеяние на точечном ядре и ядерное возбуждение через гигантский дипольный резонанс . Помимо хорошо известного томсоновского рассеяния, два других (а именно Рэлея и ГДР) имеют значительные неопределенности. Взаимодействие этих эффектов с Дельбрюком ни в коем случае не является «малым» (опять же «при энергиях классической ядерной физики»). Даже при очень прямых углах рассеяния, где эффект Дельбрюка очень силен, возникает существенная интерференция с рэлеевским рассеянием, причем амплитуды обоих эффектов имеют один и тот же порядок величины. [ 23 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Берк, Д.Л.; Филд, РЦ; Хортон-Смит, Г.; Спенсер, Дж. Э.; Уолц, Д.; Берридж, Южная Каролина; Багг, ВМ; Шмаков, К.; Вайдеманн, AW; Була, К.; Макдональд, Коннектикут; Пребис, Э.Дж.; Бамбер, К.; Боге, С.Дж.; Коффас, Т.; Коцероглу, Т.; Мелиссинос, AC; Мейерхофер, Д.Д.; Рейс, Д.А.; Рэгг, В. (1997). «Рождение позитронов при многофотонном рассеянии света» . Письма о физических отзывах . 79 (9): 1626–1629. Бибкод : 1997PhRvL..79.1626B . дои : 10.1103/PhysRevLett.79.1626 .
- ^ Биографические мемуары: Том 62, стр. 66–117 «МАКС ЛЮДВИГ ХЕННИНГ ДЕЛЬБРЮК, 4 сентября 1906 г. - 10 марта 1981 г.», УИЛЬЯМ ХЕЙС http://books.nap.edu/openbook.php?record_id=2201&page=66
- ^ Мейтнер, Л.; Кестерс, Х. (1933). «О рассеянии коротковолновых гамма-лучей». Журнал физики (на немецком языке). 84 (3-4). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 137–144. дои : 10.1007/bf01333827 . ISSN 1434-6001 . (с комментарием М. Дельбрюка)
- ^ Ярльског, Г.; Йонссон, Л.; Прюнстер, С.; Шульц, HD; Виллуцки, HJ; Винтер, Г.Г. (1 ноября 1973 г.). «Измерение рассеяния Дельбрюка и наблюдение расщепления фотонов при высоких энергиях». Физический обзор D . 8 (11). Американское физическое общество (APS): 3813–3823. дои : 10.1103/physrevd.8.3813 . ISSN 0556-2821 .
- ^ Ченг, Хунг; У, Тай Цун (31 марта 1969 г.). «Упругое рассеяние высоких энергий в квантовой электродинамике». Письма о физических отзывах . 22 (13). Американское физическое общество (APS): 666–669. дои : 10.1103/physrevlett.22.666 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Ченг, Хунг; Ву, Тай Цун (25 июня 1969 г.). «Процессы столкновений при высоких энергиях в квантовой электродинамике. I». Физический обзор . 182 (5). Американское физическое общество (APS): 1852–1867. дои : 10.1103/physrev.182.1852 . ISSN 0031-899X .
- ^ Ченг, Хунг; Ву, Тай Цун (25 июня 1969 г.). «Процессы столкновений при высоких энергиях в квантовой электродинамике. II». Физический обзор . 182 (5). Американское физическое общество (APS): 1868–1872 гг. дои : 10.1103/physrev.182.1868 . ISSN 0031-899X .
- ^ Ченг, Хунг; Ву, Тай Цун (25 июня 1969 г.). «Процессы столкновений при высоких энергиях в квантовой электродинамике. III». Физический обзор . 182 (5). Американское физическое общество (APS): 1873–1898. дои : 10.1103/physrev.182.1873 . ISSN 0031-899X .
- ^ Ченг, Хунг; Ву, Тай Цун (25 июня 1969 г.). «Процессы столкновений при высоких энергиях в квантовой электродинамике. IV». Физический обзор . 182 (5). Американское физическое общество (APS): 1899–1906. дои : 10.1103/physrev.182.1899 . ISSN 0031-899X .
- ^ Мильштейн А.И.; Страховенко, В.М. (1983). «Квазиклассический подход к рассеянию Дельбрюка при высоких энергиях». Буквы по физике А. 95 (3–4). Эльзевир Б.В.: 135–138. дои : 10.1016/0375-9601(83)90816-2 . ISSN 0375-9601 .
- ^ Мильштейн А.И.; Страховенко, В.М. (1983). «Когерентное рассеяние фотонов высоких энергий в кулоновском поле» (PDF) . Советский физический ЖЭТФ . 58 (1): 8. Архивировано из оригинала (PDF) 15 августа 2019 г. Проверено 15 августа 2019 г.
- ^ Шумахер, М.; Борхерт, И.; Сменд, Ф.; Рулхузен, П. (1975). «Дельбрюковское рассеяние фотонов с энергией 2,75 МэВ на свинце». Буквы по физике Б. 59 (2). Эльзевир Б.В.: 134–136. дои : 10.1016/0370-2693(75)90685-1 . ISSN 0370-2693 .
- ^ Папацакос, Пол; Морк, Челль (1 июня 1975 г.). «Расчеты рассеяния Дельбрюка». Физический обзор D . 12 (1). Американское физическое общество (APS): 206–218. дои : 10.1103/physrevd.12.206 . ISSN 0556-2821 .
- ^ Папацакос, Пол; Морк, Кьелл (1975). «Рассеяние Дельбрюка». Отчеты по физике . 21 (2). Эльзевир Б.В.: 81–118. дои : 10.1016/0370-1573(75)90048-4 . ISSN 0370-1573 .
- ^ Фалькенберг, Х.; Хюнгер, А.; Руллхузен, П.; Шумахер, М.; Мильштейн, А.И.; Морк, К. (1992). «Амплитуды рассеяния Дельбрюка». Таблицы атомных и ядерных данных . 50 (1). Эльзевир Б.В.: 1–27. дои : 10.1016/0092-640x(92)90023-b . ISSN 0092-640X .
- ^ Мильштейн, А.И.; Шумахер, М. (1994). «Современное состояние рассеяния Дельбрюка». Отчеты по физике . 243 (4). Эльзевир Б.В.: 183–214. дои : 10.1016/0370-1573(94)00058-1 . ISSN 0370-1573 .
- ^ Шумахер, Мартин (1999). «Рассеяние Дельбрюка». Радиационная физика и химия . 56 (1–2). Эльзевир Б.В.: 101–111. дои : 10.1016/s0969-806x(99)00289-3 . ISSN 0969-806X .
- ^ Ахмадалиев, Ш. Ж.; Кезерашвили Г. Я.; Клименко С.Г.; Малышев В.М.; Масленников А.Л.; и др. (1 октября 1998 г.). «Дельбрюковское рассеяние при энергиях 140–450 МэВ». Физический обзор C . 58 (5). Американское физическое общество (APS): 2844–2850. arXiv : hep-ex/9806037 . дои : 10.1103/physrevc.58.2844 . ISSN 0556-2813 .
- ^ Ахмадалиев, Ш. Ж.; Кезерашвили Г. Я.; Клименко С.Г.; Ли, Р.Н.; Малышев В.М.; и др. (19 июля 2002 г.). «Экспериментальное исследование расщепления фотонов высоких энергий в атомных полях». Письма о физических отзывах . 89 (6): 061802. arXiv : hep-ex/0111084 . doi : 10.1103/physrevlett.89.061802 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 12190576 .
- ^ Ли, Р; Масленников А.Л.; Мильштейн, А.И.; Страховенко В.М.; Тихонов, Ю.А. (2003). «Расщепление фотонов в атомных полях». Отчеты по физике . 373 (3): 213–246. arXiv : hep-ph/0111447 . дои : 10.1016/s0370-1573(02)00030-3 . ISSN 0370-1573 .
- ^ Джексон, HE; Ветцель, К.Дж. (12 мая 1969 г.). «Дельбрюковское рассеяние гамма-лучей с энергией 10,8 МэВ». Письма о физических отзывах . 22 (19). Американское физическое общество (APS): 1008–1010. дои : 10.1103/physrevlett.22.1008 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Море, Р.; Кахана, С. (1973). «Дельбрюковское рассеяние фотонов с энергией 7,9 МэВ». Буквы по физике Б. 47 (4). Эльзевир Б.В.: 351–354. дои : 10.1016/0370-2693(73)90621-7 . ISSN 0370-2693 .
- ^ Кахане, С.; Шахал, О.; Море, Р. (1977). «Рассеяние Рэлея и Дельбрука фотонов с энергией 6,8–11,4 МэВ при θ = 1,5 °». Буквы по физике Б. 66 (3). Эльзевир Б.В.: 229–232. дои : 10.1016/0370-2693(77)90867-x . ISSN 0370-2693 .
| Формализм | |
|---|---|
| Частицы | |
| Концепции | |
| Процессы | |
| |
