La dispersión de Delbrück , la desviación de fotones de alta energía en el campo de Coulomb de los núcleos como consecuencia de la polarización del vacío, se observó en 1975. El proceso relacionado de dispersión de la luz por la luz , también consecuencia de la polarización del vacío, no se observó hasta 1998. [1] En ambos casos, es un proceso descrito por la electrodinámica cuántica .
De 1932 a 1937, Max Delbrück trabajó en Berlín como asistente de Lise Meitner , que colaboraba con Otto Hahn en los resultados de la irradiación de uranio con neutrones. Durante este período escribió algunos artículos, uno de los cuales resultó ser una importante contribución sobre la dispersión de rayos gamma por un campo de Coulomb debido a la polarización del vacío producido por ese campo (1933). Su conclusión resultó ser teóricamente sólida pero inaplicable al caso en cuestión, pero 20 años después Hans Bethe confirmó el fenómeno y lo denominó "dispersión de Delbrück". [2]
En 1953, Robert Wilson observó la dispersión de Delbrück de rayos gamma de 1,33 MeV por los campos eléctricos de los núcleos de plomo.
La dispersión de Delbrück es la dispersión elástica coherente de fotones en el campo de Coulomb de los núcleos pesados. Es uno de los dos efectos no lineales de la electrodinámica cuántica (EDQ) en el campo de Coulomb investigados experimentalmente. El otro es la división de un fotón en dos fotones. La dispersión de Delbrück fue introducida por Max Delbrück para explicar las discrepancias entre los datos experimentales y los previstos en un experimento de dispersión Compton en átomos pesados realizado por Meitner y Kösters. [3] Los argumentos de Delbrück se basaban en la mecánica cuántica relativista de Dirac según la cual el vacío de la EQQ está lleno de electrones de energía negativa o, en términos modernos, de pares electrón-positrón. Estos electrones de energía negativa deberían ser capaces de producir una dispersión de fotones coherente-elástica porque el momento de retroceso durante la absorción y emisión del fotón se transfiere al átomo total mientras que los electrones permanecen en su estado de energía negativa. Este proceso es análogo a la dispersión de Rayleigh atómica con la única diferencia de que en este último caso los electrones están ligados a la nube de electrones del átomo. El experimento de Meitner y Kösters fue el primero de una serie de experimentos en los que la discrepancia entre las secciones eficaces diferenciales experimentales y predichas para la dispersión elástica por átomos pesados se interpretó en términos de dispersión de Delbrück. Desde el punto de vista actual, estos primeros resultados no son confiables. Las investigaciones confiables solo fueron posibles después de que se dispusiera de técnicas modernas de QED basadas en diagramas de Feynman para predicciones cuantitativas, y en el lado experimental se desarrollaron detectores de fotones con alta resolución energética y alta eficiencia de detección. Este era el caso a principios de la década de 1970, cuando ya existían ordenadores con gran capacidad de cálculo que proporcionaban resultados numéricos para las amplitudes de dispersión de Delbrück con suficiente precisión.
La primera observación de la dispersión de Delbrück se logró en un experimento de dispersión de fotones de ángulo pequeño y alta energía realizado en DESY (Alemania) en 1973 [4] , donde solo la parte imaginaria de la amplitud de dispersión es importante. Se obtuvo una concordancia con las predicciones de Cheng Wu [5] [6] [7] [8] [9] que luego fueron verificadas por Milstein y Strakhovenko [10] [11] . Estos últimos autores hacen uso de la aproximación cuasiclásica que es muy diferente de la de Cheng y Wu. Sin embargo, se pudo demostrar que ambas aproximaciones son equivalentes y conducen a los mismos resultados numéricos. El avance esencial llegó con el experimento de Göttingen (Alemania) en 1975 realizado a una energía de 2,754 MeV. [12] En el experimento de Göttingen se observó que la dispersión de Delbrück era la contribución dominante al proceso de dispersión coherente-elástica, además de contribuciones menores derivadas de la dispersión de Rayleigh atómica y de la dispersión de Rayleigh nuclear. Este experimento fue el primero en el que se confirmaron con gran precisión predicciones exactas basadas en diagramas de Feynman, [13] [14] [15] y, por lo tanto, debe considerarse como la primera observación definitiva de la dispersión de Delbrück. Para una descripción completa del estado actual de la dispersión de Delbrück, consulte. [16] [17] Hoy en día, las mediciones más precisas de la dispersión de Delbrück de alta energía se realizan en el Instituto Budker de Física Nuclear (BINP) en Novosibirsk (Rusia). [18] El experimento en el que realmente se observó la división de fotones por primera vez también se realizó en el BINP. [19] [20]
Hay una serie de trabajos experimentales publicados antes del experimento de Göttingen de 1975 (o incluso del de Desy de 1973). Los más notables son los de Jackson y Wetzel en 1969 [21] y Moreh y Kahane en 1973. [22] En ambos trabajos se hizo uso de rayos gamma de mayor energía en comparación con el de Göttingen, lo que confiere una mayor contribución de la dispersión de Delbrück a la sección eficaz medida general. En general, en la región de física nuclear de baja energía, es decir, <10–20 MeV, un experimento de Delbrück mide una serie de procesos coherentes en competencia, incluyendo también la dispersión de Rayleigh de los electrones, la dispersión de Thomson del núcleo puntual y la excitación nuclear a través de la resonancia dipolar gigante . Aparte de la dispersión de Thomson, que es bien conocida, las otras dos (a saber, Rayleigh y GDR) tienen incertidumbres considerables. La interferencia de estos efectos con Delbrück no es en absoluto "menor" (de nuevo "a las energías de la física nuclear clásica"). Incluso en ángulos de dispersión muy hacia adelante, donde Delbrück es muy fuerte, hay una interferencia sustancial con la dispersión de Rayleigh, siendo las amplitudes de ambos efectos del mismo orden de magnitud. [23]