stringtranslate.com

Рассеяние Дельбрюка

Рассеяние Дельбрюка , отклонение высокоэнергетических фотонов в кулоновском поле ядер вследствие поляризации вакуума, было обнаружено в 1975 году. Связанный с ним процесс рассеяния света светом , также являющийся следствием поляризации вакуума, не наблюдался до 1998 года. [1] В обоих случаях это процесс, описываемый квантовой электродинамикой .

Открытие

С 1932 по 1937 год Макс Дельбрюк работал в Берлине ассистентом Лизы Мейтнер , которая сотрудничала с Отто Ганом по результатам облучения урана нейтронами. В этот период он написал несколько статей, одна из которых оказалась важным вкладом в рассеяние гамма-лучей кулоновским полем из-за поляризации вакуума, создаваемого этим полем (1933). Его вывод оказался теоретически обоснованным, но неприменимым к рассматриваемому случаю, однако 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

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 Кёстерсом. [3] Аргументы Дельбрюка основывались на релятивистской квантовой механике Дирака, согласно которой вакуум КЭД заполнен электронами с отрицательной энергией или — в современных терминах — электронно-позитронными парами. Эти электроны с отрицательной энергией должны быть способны производить когерентно-упругое рассеяние фотонов, поскольку импульс отдачи при поглощении и испускании фотона передается всему атому, в то время как электроны остаются в 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 Кёстерса был первым в серии экспериментов, в которых расхождение между экспериментальными и предсказанными дифференциальными сечениями упругого рассеяния тяжелыми атомами интерпретировалось в терминах дельбрюковского рассеяния. С современной точки зрения эти ранние результаты не заслуживают доверия. Надежные исследования стали возможны только после того, как для количественных предсказаний стали доступны современные методы КЭД, основанные на диаграммах Фейнмана, а с экспериментальной стороны были разработаны детекторы фотонов с высоким энергетическим разрешением и высокой эффективностью обнаружения. Так было в начале 1970-х годов, когда также работали компьютеры с высокой вычислительной мощностью, которые выдавали численные результаты для амплитуд дельбрюковского рассеяния с достаточной точностью.

Первое наблюдение рассеяния Дельбрюка было достигнуто в эксперименте по рассеянию фотонов на малых углах при высокой энергии, проведенном в DESY (Германия) в 1973 году, [4] где важна только мнимая часть амплитуды рассеяния. Было получено согласие с предсказаниями Чэн У [5] [6] [7] [8] [9] , которые позже были проверены Мильштейном и Страховенко. [10] [11] Эти последние авторы используют квазиклассическое приближение, сильно отличающееся от приближения Чэна и У. Однако можно было показать, что оба приближения эквивалентны и приводят к одинаковым численным результатам. Существенный прорыв произошел с экспериментом в Геттингене (Германия) в 1975 году, проведенным при энергии 2,754 МэВ. [12] В Геттингенском эксперименте дельбрюковское рассеяние наблюдалось как доминирующий вклад в процесс когерентно-упругого рассеяния, в дополнение к небольшим вкладам, вытекающим из атомного рэлеевского рассеяния и ядерного рэлеевского рассеяния. Этот эксперимент был первым, где точные предсказания, основанные на диаграммах Фейнмана, [13] [14] [15] были подтверждены с высокой точностью и, следовательно, должен рассматриваться как первое определенное наблюдение дельбрюковского рассеяния. Для всестороннего описания современного состояния дельбрюковского рассеяния см. [16] [17] В настоящее время наиболее точные измерения высокоэнергетического дельбрюковского рассеяния проводятся в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера (ИЯФ) в Новосибирске (Россия). [18] Эксперимент, в котором впервые было реально обнаружено расщепление фотонов, также был проведен в ИЯФ. [19] [20]

Существует ряд экспериментальных работ, опубликованных до Геттингенского эксперимента 1975 года (или даже до эксперимента Дези 1973 года). Наиболее заметны Джексон и Ветцель в 1969 году [21] и Море и Кахане в 1973 году [22]. В обеих этих работах использовались гамма-лучи с более высокой энергией по сравнению с Геттингенским, что обеспечивает более высокий вклад рассеяния Дельбрюка в общее измеренное сечение. В целом, в области ядерной физики с низкими энергиями, т. е. <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 томсоновского рассеяния, которое хорошо известно, два других (а именно рэлеевское и GDR) имеют значительные неопределенности. Интерференция этих эффектов с Дельбрюком ни в коем случае не является «незначительной» (опять же «при энергиях классической ядерной физики»). Даже при очень больших углах рассеяния вперед, где Дельбрюк очень силен, существует существенная интерференция с рэлеевским рассеянием, причем амплитуды обоих эффектов имеют один и тот же порядок величины. [23]

Ссылки

  1. ^ Burke, DL; Field, RC; Horton-Smith, G.; Spencer, JE; Walz, D.; Berridge, SC; Bugg, WM; Shmakov, K.; Weidemann, AW; Bula, C.; McDonald, KT; Prebys, EJ; Bamber, C.; Boege, SJ; Koffas, T.; Kotseroglou, T.; Melissinos, AC; Meyerhofer, DD; Reis, DA; Ragg, W. (1997). "Positron Production in Multiphoton Light-by-Light Scattering". Physical Review Letters . 79 (9): 1626–1629. Bibcode : 1997PhRvL..79.1626B. doi : 10.1103/PhysRevLett.79.1626.
  2. ^ Биографические мемуары: Том 62 стр. 66–117 «МАКС ЛЮДВИГ ХЕННИНГ ДЕЛЬБРЮК 4 сентября 1906 г. – 10 марта 1981 г.» УИЛЬЯМА ХЕЙСА http://books.nap.edu/openbook.php?record_id=2201&page=66
  3. ^ Мейтнер, Л.; Кестерс, Х. (1933). «Über die Streuung kurzwelliger γ-Strahlen» [О рассеянии коротковолновых гамма-лучей]. Zeitschrift für Physik (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)
  4. ^ Jarlskog, G.; Jönsson, L.; Prünster, S.; Schulz, HD; Willutzki, HJ; Winter, GG (1 ноября 1973 г.). «Измерение рассеяния Дельбрюка и наблюдение расщепления фотонов при высоких энергиях». Physical Review D. 8 ( 11). Американское физическое общество (APS): 3813–3823. doi :10.1103/physrevd.8.3813. ISSN  0556-2821.
  5. ↑ Cheng, Hung; Wu, Tai Tsun (31 марта 1969 г.). «Высокоэнергетическое упругое рассеяние в квантовой электродинамике». Physical Review Letters . 22 (13). Американское физическое общество (APS): 666–669. doi :10.1103/physrevlett.22.666. ISSN  0031-9007.
  6. ↑ Cheng, Hung; Wu, Tai Tsun (25 июня 1969 г.). «Процессы столкновений высоких энергий в квантовой электродинамике. I». Physical Review . 182 (5). Американское физическое общество (APS): 1852–1867. doi :10.1103/physrev.182.1852. ISSN  0031-899X.
  7. ↑ Cheng, Hung; Wu, Tai Tsun (25 июня 1969 г.). «Процессы столкновений высоких энергий в квантовой электродинамике. II». Physical Review . 182 (5). Американское физическое общество (APS): 1868–1872. doi :10.1103/physrev.182.1868. ISSN  0031-899X.
  8. ↑ Cheng, Hung; Wu, Tai Tsun (25 июня 1969 г.). «Процессы столкновений высоких энергий в квантовой электродинамике. III». Physical Review . 182 (5). Американское физическое общество (APS): 1873–1898. doi :10.1103/physrev.182.1873. ISSN  0031-899X.
  9. ↑ Cheng, Hung; Wu, Tai Tsun (25 июня 1969 г.). «Процессы столкновений высоких энергий в квантовой электродинамике. IV». Physical Review . 182 (5). Американское физическое общество (APS): 1899–1906. doi :10.1103/physrev.182.1899. ISSN  0031-899X.
  10. ^ Мильштейн, А.И.; Страховенко, В.М. (1983). «Квазиклассический подход к высокоэнергетическому дельбрюковскому рассеянию». Physics Letters A. 95 ( 3–4). Elsevier BV: 135–138. doi :10.1016/0375-9601(83)90816-2. ISSN  0375-9601.
  11. ^ Мильштейн, А.И.; Страховенко, В.М. (1983). "Когерентное рассеяние фотонов высокой энергии в кулоновском поле" (PDF) . Советская физика ЖЭТФ . 58 (1): 8. Архивировано из оригинала (PDF) 2019-08-15 . Получено 2019-08-15 .
  12. ^ Шумахер, М.; Борхерт, И.; Сменд, Ф.; Рульхузен, П. (1975). «Рассеяние Дельбрюка фотонов с энергией 2,75 МэВ свинцом». Physics Letters B. 59 ( 2). Elsevier BV: 134–136. doi :10.1016/0370-2693(75)90685-1. ISSN  0370-2693.
  13. ^ Папацакос, Пол; Морк, Кьелл (1 июня 1975 г.). «Расчеты рассеяния Дельбрюка». Physical Review D. 12 ( 1). Американское физическое общество (APS): 206–218. doi :10.1103/physrevd.12.206. ISSN  0556-2821.
  14. ^ Папацакос, Пол; Морк, Кьелл (1975). «Рассеяние Дельбрюка». Physics Reports . 21 (2). Elsevier BV: 81–118. doi :10.1016/0370-1573(75)90048-4. ISSN  0370-1573.
  15. ^ Фалькенберг, Х.; Хюнгер, А.; Рульхузен, П.; Шумахер, М.; Мильштейн, А.И.; Морк, К. (1992). «Амплитуды для рассеяния Дельбрюка». Таблицы атомных и ядерных данных . 50 (1). Elsevier BV: 1–27. doi :10.1016/0092-640x(92)90023-b. ISSN  0092-640X.
  16. ^ Мильштейн, А.И.; Шумахер, М. (1994). «Современное состояние рассеяния Дельбрюка». Physics Reports . 243 (4). Elsevier BV: 183–214. doi :10.1016/0370-1573(94)00058-1. ISSN  0370-1573.
  17. ^ Шумахер, Мартин (1999). «Рассеяние Дельбрюка». Radiation Physics and Chemistry . 56 (1–2). Elsevier BV: 101–111. doi :10.1016/s0969-806x(99)00289-3. ISSN  0969-806X.
  18. ^ Ахмадалиев, Ш. Ж.; Кезерашвили, Г. Я.; Клименко, С. Г.; Малышев, В. М.; Масленников, АЛ; и др. (1 октября 1998 г.). "Рассеяние Дельбрюка при энергиях 140–450 МэВ". Physical Review C. 58 ( 5). Американское физическое общество (APS): 2844–2850. arXiv : hep-ex/9806037 . doi :10.1103/physrevc.58.2844. ISSN  0556-2813.
  19. ^ Ахмадалиев, Ш. Ж.; Кезерашвили, Г. Я.; Клименко, С. Г.; Ли, Р. Н.; Малышев, В. М.; и др. (19 июля 2002 г.). "Экспериментальное исследование расщепления высокоэнергетических фотонов в атомных полях". Physical Review Letters . 89 (6): 061802. arXiv : hep-ex/0111084 . doi :10.1103/physrevlett.89.061802. ISSN  0031-9007. PMID  12190576.
  20. ^ Ли, Р.; Масленников, А. Л.; Мильштейн, А. И.; Страховенко, В. М.; Тихонов, Ю. А. (2003). «Расщепление фотонов в атомных полях». Physics Reports . 373 (3): 213–246. arXiv : hep-ph/0111447 . doi :10.1016/s0370-1573(02)00030-3. ISSN  0370-1573.
  21. ^ Джексон, Х. Э.; Ветцель, К. Дж. (12 мая 1969 г.). «Дельбрюковское рассеяние γ-лучей с энергией 10,8 МэВ». Physical Review Letters . 22 (19). Американское физическое общество (APS): 1008–1010. doi :10.1103/physrevlett.22.1008. ISSN  0031-9007.
  22. ^ Moreh, R.; Kahana, S. (1973). «Рассеяние Дельбрюка фотонов с энергией 7,9 МэВ». Physics Letters B. 47 ( 4). Elsevier BV: 351–354. doi :10.1016/0370-2693(73)90621-7. ISSN  0370-2693.
  23. ^ Кахане, С.; Шахал, О.; Морех, Р. (1977). «Рассеяние Рэлея и Дельбрюка фотонов с энергией 6,8–11,4 МэВ при θ = 1,5°». Physics Letters B. 66 ( 3). Elsevier BV: 229–232. doi :10.1016/0370-2693(77)90867-x. ISSN  0370-2693.