РАСЩЕПЛЕНИЕ ФОТОНА В КУЛОНОВСКОМ ПОЛЕ
Н. Мучной, научный сотрудник
Института ядерной физики СО РАН.
Работа группы
молодых ученых ИЯФ в составе научных сотрудников Сергея
Пелеганчука, Николая Мучного, Владимира Малышева, младшего
научного сотрудника Геннадия Поспелова, научного сотрудника
Алексея Масленникова, поддержанная грантом Президиума СО РАН
В 1994--1997 гг. в Институте ядерной физики имени Г.И.Будкера СО
РАН, на установке РОКК-1М (Рассеянные Обратно Комптоновские
Кванты) ускорительного комплекса ВЭПП-4М, был проведен
эксперимент по изучению двух нелинейных эффектов квантовой
электродинамики: расщепления и дельбрюковского рассеяния фотона в
кулоновском поле ядра. В результате этой работы удалось впервые
экспериментально зарегистрировать расщепление фотона (всего в
нашем эксперименте было зарегистрировано около 150 актов
расщепления) и более чем на порядок улучшить экспериментальную
точность измерения основных свойств дельбрюковского рассеяния
фотона в области высоких энергий. В 1998 году работа была
поддержана грантом Президиума СО РАН в рамках конкурса-экспертизы
проектов молодежных научных коллективов.
Расщеплением фотона называется процесс, в котором фотон в
кулоновском поле превращается в два фотона, причем их суммарная
энергия равна энергии начального фотона. Этот процесс невозможно
объяснить в рамках классической электродинамики -- его
существование было предсказано в 30-е годы XX века релятивистской
квантовой теорией. Действительно, фотон -- нейтральная частица,
которая, в силу линейности уравнений Максвелла, с электрическим
полем взаимодействовать не должна. Согласно же квантовой
электродинамике свободно распространяющийся в вакууме фотон с
определенной вероятностью может на короткое время превратиться в
виртуальную пару заряженных частиц: электрон и позитрон. Если при
этом существует внешнее электромагнитное поле -- пара заряженных
частиц может рассеяться и превратиться, например, в два фотона
(это и называется расщеплением фотона), или в один фотон, импульс
которого отличен от начального (дельбрюковское рассеяние).
Наблюдение расщепления фотона аналогично наблюдению процесса
рассеяния света на свете, с той лишь разницей, что рассеяние
фотона происходит не на втором реальном фотоне, а на
электрическом поле ядра. Прямое наблюдение рассеяния света на
свете в настоящее время не представляется возможным из-за малой
вероятности процесса и тяжелых фоновых условий. Процесс
расщепления фотона никогда ранее не наблюдался экспериментально,
в то время как дельбрюковское рассеяние (вероятность которого
приблизительно в 100 раз больше) уже наблюдалось
экспериментально, однако точность измерений основных свойств
процесса при высоких энергиях фотона не превышала 20 процентов.
Сложность экспериментального наблюдения процессов расщепления и
дельбрюковского рассеяния фотона обусловлена двумя основными
причинами.
Во-первых, оба процесса имеют маленькие вероятности рассеяния.
Во-вторых, существует большое количество иных (хорошо известных)
процессов рассеяния фотона, вероятность которых при
взаимодействии фотона с веществом в миллионы раз превосходит
вероятность процесса расщепления фотона. Это означает, что для
достоверного наблюдения эффекта со столь малой вероятностью,
экспериментальная установка должна обеспечивать существенное (на
уровне 106) подавление основных фоновых процессов.
Атом тяжелого элемента с большим зарядом ядра является источником
наиболее сильного электрического поля, доступным на настоящее
время в лабораторных условиях. Вероятность процесса расщепления
фотона увеличивается с ростом его энергии и выходит на константу
при энергии фотона порядка нескольких сотен мегаэлектронвольт
(МэВ). Длина волны фотона с энергией в 100 МэВ всего в пять раз
больше, чем классический радиус электрона, и в четыре тысячи раз
меньше боровского радиуса орбиты электрона. Идея проведения
такого эксперимента давно будоражила умы физиков, и для ее
воплощения в жизнь в ИЯФе сложились уникальные условия.
Заработавший в апреле 1992 года электрон-позитронный коллайдер
ВЭПП-4М на сегодняшний день -- самый большой действующий
ускоритель в России. Периметр орбиты электронного пучка
составляет 365 метров, максимальная энергия электронного и
позитронного пучков -- 6000 МэВ. Установка РОКК-1М, введенная в
эксплуатацию в том же году месяцем позже, позволяет получать
интенсивный пучок высокоэнергетичных поляризованных гамма-квантов
с энергиями до 1000 МэВ путем рассеяния лазерного излучения (с
энергией фотона всего лишь 1 электронвольт) на встречном
электронном пучке коллайдера ВЭПП-4М. Таким образом стало
возможным получение пучка высокоэнергетичных фотонов с
интенсивностью, обеспечивающей достаточно высокую вероятность
нелинейных процессов. Однако для их экспериментального наблюдения
необходимо было иметь и соответствующую регистрирующую
аппаратуру. Рассеянный электроном фотон вылетает из вакуумной
камеры коллайдера ВЭПП-4М по направлению импульса электрона.
Рассеявший же его электрон отклоняется поворотным магнитом и
попадает в систему регистрации рассеянных электронов, где
определяется отданная фотону энергия -- мы знаем энергию каждого
рассеянного фотона. Система регистрации рассеянных электронов --
это специализированный магнитный спектрометр, предназначенный для
экспериментов на детекторе КЕДР. Детектор КЕДР начинает работать
на коллайдере ВЭПП-4М в этом году. На нем будут изучаться
взаимодействия электронов и позитронов в области энергий каждого
из пучков от 1500 до 6000 МэВ. Далее рассеянный фотон попадает на
ядерную мишень, расположенную на расстоянии около 30 метров от
точки рассеяния лазерного фотона. Мишень была изготовлена из
кристалла германата висмута в Институте неорганической химии СО
РАН специально для проведения нашего эксперимента. Выбор
материала мишени не случаен. Вероятности процессов расщепления
фотона и дельбрюковского рассеяния фотона растут с ростом заряда
ядра, поэтому целесообразно использовать для мишени тяжелые
элементы с большим зарядом ядра. Большинство процессов
взаимодействия фотонов высоких энергий с веществом сопровождается
рождением заряженных частиц (электронов и позитронов) с
выделением энергии ионизации, в то время как в искомых процессах
энергия выделяться не должна. Чтобы контролировать выделение
энергии в мишени, материал мишени можно сделать сцинтиллирующим,
то есть часть энергии ионизации вещества должна выделяться в виде
света оптического диапазона -- тогда энерговыделение можно
зарегистрировать с помощью, например, фотоэлектронного
умножителя.
На расстоянии около 5 метров за мишенью расположен детектор
рассеянных фотонов: ионизационный калориметр на жидком криптоне
(400 кг жидкого криптона!), позволяющий с высокой точностью
измерить энергию и координаты попавших в него фотонов.
Использование жидкого криптона для калориметрии -- это еще одно
новое слово ИЯФ в современном детекторостроении: наш калориметр
-- это прототип большого калориметра детектора КЕДР, в котором
будет 20 тонн жидкого криптона!
В такой (значительно упрощенной) интерпретации схемы
эксперимента, процесс расщепления фотона выглядит следующим
образом: системой регистрации рассеянных электронов
зарегистрирован один электрон, а детектором фотонов
зарегистрированы два рассеянных фотона (в случае дельбрюковского
рассеяния -- один); общее энерговыделение в калориметре равно
энергии начального фотона, измеренной, как было отмечено выше, по
потере энергии рассеявшего лазерный фотон электрона; отсутствует
энерговыделение в материале мишени.
Общее число прилетевших на мишень фотонов в диапазоне энергий от
100 до 450 МэВ за все время эксперимента составило 3 миллиарда.
После обработки экспериментальных данных было найдено около 150
событий расщепления фотона и около 10000 событий дельбрюковского
рассеяния. Проведенные в рамках выполнения проекта новые
теоретические расчеты свойств обоих исследуемых процессов
(значительно увеличена точность рассчетов) хорошо согласуются с
полученными экспериментальными результатами, что придает
физическую полноту пониманию природы изучавшихся эффектов.
В завершение следует отметить, что данный эксперимент стоит в
стороне от магистрального направления развития современной физики
высоких энергий -- квантовой хромодинамики и теории электрослабых
взаимодействий. В настоящее время квантовая электродинамика
является "классической" теорией: большинство предсказанных ею
физических явлений уже нашли свое экспериментальное
подтверждение. Однако нелинейные явления стали доступны прямому
наблюдению только в недавнее время, благодаря высокому уровню
развития современной экспериментальной техники. В этой связи
основные достоинства проведенного эксперимента -- оригинальность
экспериментальной установки и классический характер полученных
результатов, делающий их интересными широкому кругу
ученых-физиков.
стр.
|
