Рассеяние Дельбрюка - Delbrück scattering

Дельбрюк рассеяниеотклонение фотонов высоких энергий в кулоновском поле ядер как следствие поляризации вакуума наблюдалось в 1975 г. Связанный с этим процесс рассеяние света светом, также следствие поляризации вакуума, не наблюдалось до 1998 г.[1] В обоих случаях это процесс, описываемый квантовая электродинамика.

  • В Диаграмма Фейнмана рассеяния Дельбрюка. Волнистая линия представляет собой фотон и двойная линия электрон во внешнем поле ядро.

  • Диаграмма низшего порядка имеет четыре вершины и состоит из двух входящих фотонов, которые аннигилируют в виртуальную электрон-позитрон пара, которая затем снова аннигилирует в два реальных фотона.

Открытие

С 1932 по 1937 год Макс Дельбрюк работал в Берлине помощником Лиз Мейтнер, который сотрудничал с Отто Хан 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 делу, но 20 лет спустя Ганс Бете подтвердил явление и назвал его «рассеяние Дельбрюка».[2]

В 1953 г. Роберт Уилсон наблюдали рассеяние Дельбрюка 1,33 МэВ гамма-излучение 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 - разделение 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, электронно-позитронными парами. Эти электроны с отрицательной энергией должны быть способны производить когерентно-упругое рассеяние фотонов, потому что 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 Рэлеевское рассеяние 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 было показать, что оба приближения эквивалентны и приводят к одним и тем же численным результатам. Существенный прорыв произошел с экспериментом в Геттингене (Германия) в 1975 г., проведенным 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 точные предсказания, основанные на диаграммах Фейнмана,[13][14][15] были подтверждены с высокой точностью и поэтому должны рассматриваться как первое достоверное наблюдение рассеяния Дельбрюка. Для исчерпывающего описания современного состояния рассеяния Дельбрюка см.[16][17] В настоящее время наиболее точные измерения высокоэнергетического рассеяния Дельбрюка проводятся на заводе Институт ядерной физики им. Будкера (BINP) в Новосибирск (Россия).[18] В ИЯФ также был проведен эксперимент, в котором действительно впервые было обнаружено расщепление фотонов.[19][20]

Уточнение: имеется ряд экспериментальных работ, опубликованных до Геттингенского эксперимента 1975 года (или даже эксперимента Дези 1973 года). Наиболее известные Джексон и Ветцель в 1969 году[21] и Морех и Кахане в 1973 году.[22] В обеих этих работах использовались гамма-лучи более высокой энергии по сравнению с геттингенским, что дало больший вклад рассеяния Дельбрюка в общее измеренное 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 от электронов, Томсоновское рассеяние от точечного ядра и возбуждения 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 «второстепенным» (опять же «при классических энергиях ядерной физики»). Даже при очень больших углах рассеяния вперед, когда Дельбрюк очень силен, существует существенная интерференция с рэлеевским рассеянием, причем амплитуды обоих эффектов одного порядка величины (см. [23] ).


Рекомендации

  1. ^ Burke, D. L .; Филд, R.C .; Horton-Smith, G .; Spencer, J. E .; Walz, D .; Berridge, S.C .; Bugg, W. M .; Шмаков, К .; Weidemann, A. W .; Bula, C .; Макдональд, К. Т .; Prebys, E.J .; Bamber, C .; Boege, S.J .; Коффас, Т .; Коцероглоу, Т .; Melissinos, A.C .; Meyerhofer, D. D .; Reis, D. A .; Рэгг, В. (1997). «Рождение позитронов при многофотонном рассеянии света на свету». Письма с физическими проверками. 79 (9): 1626–1629. Bibcode:1997ПхРвЛ..79.1626Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.79.1626.
  2. ^ Биографические воспоминания: Том 62, стр. 66-117 «МАКС ЛЮДВИГ ХЕННИНГ ДЕЛЬБРУК, 4 сентября 1906 г. - 10 марта 1981 г.» УИЛЬЯМА ХЕЙСА http://books.nap.edu/openbook.php?record_id=2201&page=66
  3. ^ Meitner, L .; Кестерс, Х. (1933). "Über die Streuung kurzwelliger γ-Strahlen" [О рассеянии коротковолновых гамма-лучей]. Zeitschrift für Physik (на немецком). ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 84 (3–4): 137–144. Дои:10.1007 / bf01333827. ISSN  1434-6001.(с комментарием М. Дельбрюка)
  4. ^ Jarlskog, G .; Jönsson, L .; Prünster, S .; Schulz, H.D .; Willutzki, H.J .; Уинтер, Г. Г. (1 ноября 1973 г.). «Измерение рассеяния Дельбрюка и наблюдение расщепления фотонов при высоких энергиях». Физический обзор D. Американское физическое общество (APS). 8 (11): 3813–3823. Дои:10.1103 / Physrevd.8.3813. ISSN  0556-2821.
  5. ^ Ченг, Хунг; У Тай Цун (31 марта 1969 г.). «Упругое рассеяние высоких энергий в квантовой электродинамике». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 22 (13): 666–669. Дои:10.1103 / Physrevlett.22.666. ISSN  0031-9007.
  6. ^ Ченг, Хунг; 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. Дои:10.1103 / Physrev.182.1852. ISSN  0031-899X.
  7. ^ Ченг, Хунг; 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. Дои:10.1103 / Physrev.182.1868. ISSN  0031-899X.
  8. ^ Ченг, Хунг; 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. Дои:10.1103 / Physrev.182.1873. ISSN  0031-899X.
  9. ^ Ченг, Хунг; 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. Дои:10.1103 / Physrev.182.1899. ISSN  0031-899X.
  10. ^ Мильштейн, А.И .; Страховенко, В. (1983). «Квазиклассический подход к рассеянию Дельбрюка высоких энергий». Письма о физике A. Elsevier BV. 95 (3–4): 135–138. Дои:10.1016/0375-9601(83)90816-2. ISSN  0375-9601.
  11. ^ Мильштейн, А.И .; Страховенко, В. (1983). «Когерентное рассеяние фотонов высоких энергий в кулоновском поле» (PDF). Советская физика в ЖЭТФ. 58 (1): 8.
  12. ^ Шумахер, М .; Borchert, I .; Smend, F .; Рулльхузен, П. (1975). «Дельбрюкское рассеяние 2,75 МэВ фотонов на свинце». Письма по физике B. Elsevier BV. 59 (2): 134–136. Дои:10.1016/0370-2693(75)90685-1. ISSN  0370-2693.
  13. ^ Папацакос, Пол; Морк, Челл (1 июня 1975 г.). «Расчеты рассеяния Дельбрюка». Физический обзор D. Американское физическое общество (APS). 12 (1): 206–218. Дои:10.1103 / Physrevd.12.206. ISSN  0556-2821.
  14. ^ Папацакос, Пол; Морк, Кьелл (1975). «Дельбрюкское рассеяние». Отчеты по физике. Elsevier BV. 21 (2): 81–118. Дои:10.1016/0370-1573(75)90048-4. ISSN  0370-1573.
  15. ^ Falkenberg, H .; Hünger, A .; Rullhusen, P .; Шумахер, М .; Milstein, A.I .; Морк, К. (1992). «Амплитуды рассеяния Дельбрюка». Атомные данные и таблицы ядерных данных. Elsevier BV. 50 (1): 1–27. Дои:10.1016 / 0092-640х (92) 90023-б. ISSN  0092-640X.
  16. ^ Milstein, A.I .; Шумахер, М. (1994). «Современное состояние рассеяния Дельбрюка». Отчеты по физике. Elsevier BV. 243 (4): 183–214. Дои:10.1016/0370-1573(94)00058-1. ISSN  0370-1573.
  17. ^ Шумахер, Мартин (1999). «Дельбрюкское рассеяние». Радиационная физика и химия. Elsevier BV. 56 (1–2): 101–111. Дои:10.1016 / s0969-806x (99) 00289-3. ISSN  0969-806X.
  18. ^ Ахмадалиев, Ш. Ж .; Кезерашвили, Г. Я .; Клименко, С.Г .; Малышев, В. М .; Масленников, А.Л .; и другие. (1 октября 1998 г.). «Дельбрюковское рассеяние при энергиях 140–450 МэВ». Физический обзор C. Американское физическое общество (APS). 58 (5): 2844–2850. arXiv:hep-ex / 9806037. Дои:10.1103 / Physrevc.58.2844. ISSN  0556-2813.
  19. ^ Ахмадалиев, Ш. Ж .; Кезерашвили, Г. Я .; Клименко, С.Г .; Lee, R. N .; Малышев, В. М .; и другие. (19 июля 2002 г.). «Экспериментальное исследование расщепления фотонов высоких энергий в атомных полях». Письма с физическими проверками. 89 (6): 061802. arXiv:hep-ex / 0111084. Дои:10.1103 / Physrevlett.89.061802. ISSN  0031-9007.
  20. ^ Lee, R; Масленников, А.Л .; Milstein, A.I .; Страховенко, В.М .; Тихонов, Ю.А. (2003). «Расщепление фотона 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.
  21. ^ Jackson, H.E .; Ветцель, К. Дж. (12 мая 1969 г.). «Дельбрюкское рассеяние γ-лучей с энергией 10,8 МэВ». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 22 (19): 1008–1010. Дои:10.1103 / Physrevlett.22.1008. ISSN  0031-9007.
  22. ^ Moreh, R .; Кахана, С. (1973). «Дельбрюковское рассеяние фотонов с энергией 7,9 МэВ». Письма по физике B. Elsevier BV. 47 (4): 351–354. Дои:10.1016/0370-2693(73)90621-7. ISSN  0370-2693.
  23. ^ Kahane, S .; Shahal, O .; Море, Р. (1977). «Рэлеевское и дельбрукское рассеяние фотонов с энергией 6,8–11,4 МэВ при θ = 1,5 °». Письма по физике B. Elsevier BV. 66 (3): 229–232. Дои:10.1016 / 0370-2693 (77) 90867-х. ISSN  0370-2693.