Рассеяние Дельбрюка , отклонение фотонов высоких энергий в кулоновском поле ядер как следствие поляризации вакуума, наблюдалось в 1975 году. Связанный с этим процесс рассеяния света светом , также являющийся следствием поляризации вакуума, не наблюдался до 1998 года. . [1] В обоих случаях, это процесс описывается квантовой электродинамики .
Диаграмма Фейнмана из Delbrück рассеяния. Волнистая линия представляет фотон, а двойная линия - электрон во внешнем поле ядра .
Диаграмма самого низкого порядка имеет четыре вершины и состоит из двух входящих фотонов, которые аннигилируют в виртуальную электронно-позитронную пару, которая затем снова аннигилирует в два реальных фотона.
Открытие
С 1932 по 1937 год Макс Дельбрюк работал в Берлине помощником Лиз Мейтнер , которая вместе с Отто Ханом работала над результатами 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, но 20 лет спустя Ганс Бете подтвердил это явление и назвал его «рассеяние Дельбрюка». [2]
В 1953 году Роберт Вильсон наблюдал дельбрюкское рассеяние гамма-лучей с энергией 1,33 МэВ электрическими полями ядер свинца.
Приложение: Дельбрюковское рассеяние - 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. Дельбрюкское рассеяние было введено Максом Дельбрюком для объяснения расхождений между экспериментальными и предсказанными данными в эксперименте по комптоновскому рассеянию на тяжелых атомах, проведенном Мейтнером и Кестерсом. [3] Аргументы Дельбрюка были основаны 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 Мейтнера и Кестерса 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 нынешней точки зрения, эти первые результаты не заслуживают доверия. Надежные исследования стали возможны только после того, как современные методы КЭД, основанные на диаграммах Фейнмана, стали доступны для количественных предсказаний, а на экспериментальных сторонах 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 с достаточной точностью выдавали численные результаты для амплитуд рассеяния Дельбрюка. Первое наблюдение рассеяния Дельбрюка было достигнуто в эксперименте по высокоэнергетическому малоугловому рассеянию фотонов, проведенному в DESY (Германия) в 1973 г. [4], где важна только мнимая часть амплитуды рассеяния. Было получено согласие с предсказаниями Ченг Ву [5] [6] [7] [8] [9], которые позже были проверены Мильштейном и Страховенко. [10] [11] Эти последние авторы используют квазиклассическое приближение, которое сильно отличается 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, помимо незначительных вкладов, происходящих от атомного рэлеевского рассеяния и ядерного рэлеевского рассеяния. Этот эксперимент был первым, в котором точные предсказания, основанные на диаграммах Фейнмана [13] [14] [15], были подтверждены с высокой точностью, и поэтому его следует рассматривать как первое определенное наблюдение рассеяния Дельбрюка. Для исчерпывающего описания современного состояния рассеяния Дельбрюка см. [16] [17] В настоящее время наиболее точные измерения высокоэнергетического рассеяния Дельбрюка проводятся в Институте ядерной физики им. Будкера (ИЯФ) в Новосибирске (Россия). [18] Эксперимент, в котором действительно впервые было обнаружено расщепление фотонов, также был проведен в ИЯФ. [19] [20]
Уточнение: имеется ряд экспериментальных работ, опубликованных до Геттингенского эксперимента 1975 года (или даже эксперимента Дези 1973 года). Наиболее заметны Джексон и Ветцель в 1969 г. [21] и Море и Кахане в 1973 г. [22] В обеих этих работах использовались гамма-лучи более высокой энергии по сравнению с геттингенским, что дало больший вклад рассеяния Дельбрюка в общие измеренные значения. поперечное сечение. В общем, в области ядерной физики низких энергий, т.е. <10-20 МэВ, эксперимент Дельбрюка измеряет ряд конкурирующих когерентных процессов, включая также рэлеевское рассеяние на электронах, томсоновское рассеяние на точечном ядре и возбуждение ядра 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 «незначительным» (опять же «при классических энергиях ядерной физики»). Даже при очень больших углах рассеяния вперед, когда Дельбрюк очень силен, наблюдается существенная интерференция с рэлеевским рассеянием, причем амплитуды обоих эффектов имеют один и тот же порядок величины (см. [23] ).
Рекомендации
- ^ Берк, DL; Поле, RC; Horton-Smith, G .; Спенсер, Дж. Э .; Walz, D .; Берридж, Южная Каролина; Bugg, WM; Шмаков, К .; Weidemann, AW; Bula, C .; McDonald, KT; Prebys, EJ; Bamber, C .; Boege, SJ; Коффас, Т .; Коцероглоу, Т .; Мелиссинос, AC; Meyerhofer, DD; Reis, DA; Рэгг, В. (1997). «Рождение позитронов в многофотонном рассеянии света» . Письма с физическим обзором . 79 (9): 1626–1629. Bibcode : 1997PhRvL..79.1626B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.79.1626 .
- ^ Биографические Мемуары: Том 62 pp66-117 "MAX LUDWIG HENNING Делбрюк 4 сентября 1906 - 10 марта 1981" Вильям HAYES http://books.nap.edu/openbook.php?record_id=2201&page=66
- ^ Meitner, L .; Кёстерс, Х. (1933). "Über die Streuung kurzwelliger γ-Strahlen" [О рассеянии коротковолновых гамма-лучей]. Zeitschrift für Physik (на немецком языке). ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 84 (3–4): 137–144. DOI : 10.1007 / bf01333827 . ISSN 1434-6001 .(с комментарием М. Дельбрюка)
- ^ Jarlskog, G .; Jönsson, L .; Prünster, S .; Шульц, HD; Виллуцки, HJ; Winter, GG (1 ноября 1973 г.). «Измерение рассеяния Дельбрюка и наблюдение расщепления фотонов при высоких энергиях». Physical Review D . Американское физическое общество (APS). 8 (11): 3813–3823. DOI : 10.1103 / physrevd.8.3813 . ISSN 0556-2821 .
- ^ Cheng, Hung; У Тай Цун (31 марта 1969 г.). «Упругое рассеяние высоких энергий в квантовой электродинамике». Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 22 (13): 666–669. DOI : 10.1103 / physrevlett.22.666 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Cheng, Hung; У Тай Цун (25 июня 1969 г.). "Процессы столкновений при высоких энергиях в квантовой электродинамике. I". Физический обзор . Американское физическое общество (APS). 182 (5): 1852–1867. DOI : 10.1103 / Physrev.182.1852 . ISSN 0031-899X .
- ^ Cheng, Hung; У Тай Цун (25 июня 1969 г.). "Процессы столкновений при высоких энергиях в квантовой электродинамике. II". Физический обзор . Американское физическое общество (APS). 182 (5): 1868–1872. DOI : 10.1103 / Physrev.182.1868 . ISSN 0031-899X .
- ^ Cheng, Hung; У Тай Цун (25 июня 1969 г.). "Процессы столкновений при высоких энергиях в квантовой электродинамике. III". Физический обзор . Американское физическое общество (APS). 182 (5): 1873–1898. DOI : 10.1103 / Physrev.182.1873 . ISSN 0031-899X .
- ^ Cheng, Hung; У Тай Цун (25 июня 1969 г.). "Процессы столкновений при высоких энергиях в квантовой электродинамике. IV". Физический обзор . Американское физическое общество (APS). 182 (5): 1899–1906. DOI : 10.1103 / Physrev.182.1899 . ISSN 0031-899X .
- ^ Мильштейн А. И.; Страховенко В.М. (1983). «Квазиклассический подход к рассеянию Дельбрюка при высоких энергиях». Физика Буквы A . Elsevier BV. 95 (3–4): 135–138. DOI : 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) . Советская физика в ЖЭТФ . 58 (1): 8.
- ^ Шумахер, М .; Borchert, I .; Smend, F .; Рулльхузен, П. (1975). «Дельбрюкское рассеяние 2,75 МэВ фотонов на свинце». Физика Письма Б . Elsevier BV. 59 (2): 134–136. DOI : 10.1016 / 0370-2693 (75) 90685-1 . ISSN 0370-2693 .
- ^ Папацакос, Пол; Морк, Челл (1 июня 1975 г.). «Расчеты рассеяния Дельбрюка». Physical Review D . Американское физическое общество (APS). 12 (1): 206–218. DOI : 10.1103 / physrevd.12.206 . ISSN 0556-2821 .
- ^ Папацакос, Пол; Морк, Кьелл (1975). «Дельбрюкское рассеяние». Отчеты по физике . Elsevier BV. 21 (2): 81–118. DOI : 10.1016 / 0370-1573 (75) 90048-4 . ISSN 0370-1573 .
- ^ Falkenberg, H .; Hünger, A .; Rullhusen, P .; Шумахер, М .; Мильштейн, AI; Морк, К. (1992). «Амплитуды рассеяния Дельбрюка». Атомные данные и таблицы ядерных данных . Elsevier BV. 50 (1): 1-27. DOI : 10.1016 / 0092-640x (92) 90023-б . ISSN 0092-640X .
- ^ Мильштейн, AI; Шумахер, М. (1994). «Современное состояние рассеяния Дельбрюка». Отчеты по физике . Elsevier BV. 243 (4): 183–214. DOI : 10.1016 / 0370-1573 (94) 00058-1 . ISSN 0370-1573 .
- ^ Шумахер, Мартин (1999). «Дельбрюкское рассеяние». Радиационная физика и химия . Elsevier BV. 56 (1–2): 101–111. DOI : 10.1016 / s0969-806x (99) 00289-3 . ISSN 0969-806X .
- ^ Ахмадалиев, Ш. Ж .; Кезерашвили, Г. Я .; Клименко С.Г .; Малышев ВМ; Масленников, А.Л .; и другие. (1 октября 1998 г.). «Дельбрюковское рассеяние при энергиях 140–450 МэВ». Physical Review C . Американское физическое общество (APS). 58 (5): 2844–2850. arXiv : hep-ex / 9806037 . DOI : 10.1103 / physrevc.58.2844 . ISSN 0556-2813 .
- ^ Ахмадалиев, Ш. Ж .; Кезерашвили, Г. Я .; Клименко С.Г .; Ли, Р.Н.; Малышев ВМ; и другие. (19 июля 2002 г.). «Экспериментальное исследование расщепления фотонов высоких энергий в атомных полях». Письма с физическим обзором . 89 (6): 061802. arXiv : hep-ex / 0111084 . DOI : 10.1103 / physrevlett.89.061802 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Lee, R; Масленников, А.Л .; Мильштейн, AI; Страховенко ВМ; Тихонов, Ю.А. (2003). «Расщепление фотона в атомных полях». Отчеты по физике . 373 (3): 213–246. arXiv : hep-ph / 0111447 . DOI : 10.1016 / s0370-1573 (02) 00030-3 . ISSN 0370-1573 .
- ^ Джексон, HE; Ветцель, К.Дж. (12 мая 1969 г.). «Дельбрюкское рассеяние γ-лучей с энергией 10,8 МэВ». Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 22 (19): 1008–1010. DOI : 10.1103 / physrevlett.22.1008 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Moreh, R .; Кахана, С. (1973). «Дельбрюковское рассеяние фотонов с энергией 7,9 МэВ». Физика Письма Б . Elsevier BV. 47 (4): 351–354. DOI : 10.1016 / 0370-2693 (73) 90621-7 . ISSN 0370-2693 .
- ^ Kahane, S .; Shahal, O .; Море, Р. (1977). «Рэлеевское и дельбрукское рассеяние фотонов с энергией 6,8–11,4 МэВ при θ = 1,5 °». Физика Письма Б . Elsevier BV. 66 (3): 229–232. DOI : 10.1016 / 0370-2693 (77) 90867-х . ISSN 0370-2693 .