Дельбрюковское рассеяние фотонов в кулоновском поле при энергиях 140-450 Мэв

2
Оглавление
1 Введение. 3
2 Экспериментальная установка. 13
2.1 Требования к аппаратуре............................... 13
2.2 Пучок меченых фотонов................................. 14
2.3 Калориметр на основе жидкого криптона................. 21
2.4 Триггер............................................... 23
3 Сечение дельбрюковского рассеяния и фоновые процессы. 30
4 Обработка и результаты эксперимента. 34
4.1 Алгоритм отбора полезных событий...................... 34
4.2 Фон с краёв коллиматоров. . . ....................... 37
4.3 Результаты измерения сечения дельбрюковского рассеян и я. 46
5 Заключение.
53
з
1 Введение.
Экспериментальные исследования, на которых основана настоящая диссертация, были выполнены на установке РОКК-1М накопителя ВЭПП-4М в ИЯФ СО РАН. Основной задачей этих экспериментов [1, 2] было изучение дельбрюковского рассеяния фотона [3] (рис. 1а) и наблюдение процесса расщепления фотона в кулоновском поле ядра (рис. 1Ь).
Рис. 1. а) Диаграммы Фейнмана для процесса дельбрюковского рассеяния: в представлении Фарри и в виде обычных диаграмм теории возмущений. Двойная линия обозначает функцию Грина электрона в кулоновском поле, кресты обозначают взаимодействие с кулоновским полем. Ь) Диаграммы Фейнмана в представлении Фарри для процесса расщепления фотона.
Данные процессы принадлежат к числу нелинейных эффектов квантовой электродинамики, описываемых диаграммами с фермионной петлёй. Другими подобными эффектами являются рассеяние света на свете и обратный процессу расщепления фотона процесс слияния двух фотонов в поле ядра.
Все эти эффекты невозможны в классической электродинамике, поскольку уравнения Максвелла линейны по электромагнитному полю, и поэтому фотон не может рассеиваться на фотоне или на внешнем куло-
а)
х + ...
Ь)
4
новском поле ядра, или же расщепиться в этом поле. В квантовой электродинамике такие процессы возможны и некоторые даже доступны для прямого наблюдения в эксперименте. В первую очередь это относится к дельбрюковскому рассеянию, сечение которого, рассчитанное в низшем порядке теории возмущений, пропорционально и при больших Z наиболее благоприятно для наблюдения. По этой причине из этих нелинейных процессов ранее в экспериментах наблюдалось лишь дельбрюковское рассеяние.
Единственным параметром, определяющим кинематику этого процесса, является угол рассеяния в, так как отдачей ядра можно пренебречь, и энергия начального фотона равна энергии конечного. При больших энергиях начального фотона и; ^> т (где т - масса электрона) оценка для сечения в углы 9 < втах даёт (Н. А. Ве^е, Г. ИоЬгИсЬ, 1952, см. [5],§128 ):
где Z - заряд ядра, а - постояппая тонкой структуры, ге - классический радиус электрона.
Основной вклад в сечение происходит от области углов 9 ~ т/а;, поэтому
а ~
Таким образом, при больших энергиях сечение дельбрюковского рассеяния стремится к постоянному пределу.
Здесь необходимо отметить, что вышеприведённая оценка справедлива лишь при небольших значениях Z. поскольку она учитывает только вклад диаграммы низшего порядка, в то время как диаграммы высшего порядка (так называемые кулоновские поправки) при больших Z существенно модифицируют сечение [6] (рис. 2).
В качестве мишени в эксперименте, описанном в диссертации, использовался кристалл германата висмута ВцСезОхг. Основной вклад в сече-
5
NUCLEAR CHARGE Z
Рис. 2. Зависимость полного сечения дельбрюковского рассеяния о от заряда ядра Z при w>mB единицах ст0 = (Za)*rl/167T = {Za)A • 1.58 mb.
ние рассеяния на такой мишени (около 97%) даёт Bi (Z = 83), поэтому эффект кулоновских поправок довольно велик. При Z = 83 сечение дельбрюковского рассеяния составляет около 6 mb.
Простая оценка для сечения расщепления фотона в поле ядра при и m с использованием метода эквивалентных фотонов была получена впервые в 1973 году [7]:
а ~ —ln(183Z-1'3) • 10~29см2.
7Г
Для Z = 83 получаем отсюда а « 0.6 mb. Таким образом, сечение расщепления примерно на порядок меньше сечения дельбрюковского рассеяния, и при изучении последнего расщепление фотона необходимо учитывать в качестве фонового процесса.
Кулоновские поправки не столь сильно модифицируют сечение расщепления фотона, как это имеет место для дельбрюковского рассеяния -например, для полного сечения при Z — 83 изменение составляет около 20% [8, 9]. Здесь имеет место такая же ситуация, как и при рождении пар, и вообще для всех процессов, при расчёте сечения которых можно применять метод эквивалентных фотонов: главный вклад даёт диаграмма низшего порядка, которой в сечении соответствует член, содержащий
б
большой логарифм, остальные же члены добавляют к логарифму величину порядка единицы. Для дельбрюковского рассеяния диаграмма низшего порядка содержит два виртуальных фотона, логарифмический член отсутствует, и сечение изменяется в несколько раз.
Процесс расщепления фотона впервые наблюдался в экспериментах на установке ВЭПП-4М. Обработка соответствующих результатов находится в стадии завершения, предварительные данные опубликованы в работе [2]. Здесь лишь отметим, что наблюдаемая в эксперименте величина эффекта в пределах экспериментальной точности (~ 10%) согласуется с результатами недавних вычислений, выполненных с учётом кулоновских поправок [8, 9].
Относительно двух других вышеупомянутых нелинейных эффектов можно отметить, что процесс слияния фотонов, по-видимому, никогда не будет наблюдаться экспериментально, поскольку его вероятность крайне мала (см., например, работу [10]). Процесс же рассеяния света на свете может косвенно наблюдаться на 77-коллайдерах (о возможности использования этого процесса для управления поляризацией фотонного пучка высокой энергии см. работу [11]).
Таким образом, интерес к экспериментальному изучению дельбрюковского рассеяния обусловлен тем, что это один из пемпогих нелинейных процессов квантовой электродинамики, доступных в настоящее время прямому наблюдению. Для этого процесса вклад высших порядков теории возмущений по параметру Za при больших 2 существенно влияет на величину сечения, что может быть использовано для проверки предсказаний квантовой электродинамики в сильных электромагнитных полях. Кроме того, дельбрюковское рассеяние является фоновым процессом при изучении ядерного комптоновского рассеяния, которое в настоящее время служит эффективным методом изучения мезонных и иуклонных степеней свободы ядра [12].