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dispersión de Delbrück

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, se trata de un proceso descrito por la electrodinámica cuántica .

Descubrimiento

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 contribución importante 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 más tarde 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.

Descripción

La dispersión de Delbrück es la dispersión elástica coherente de fotones en el campo de Coulomb de núcleos pesados. Es uno de los dos efectos no lineales de la electrodinámica cuántica (QED) en el campo de Coulomb investigados experimentalmente. La otra 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 predichos en un experimento de dispersión de Compton sobre átomos pesados ​​llevado a cabo por Meitner y Kösters. [3] Los argumentos de Delbrück se basaban en la mecánica cuántica relativista de Dirac, según la cual el vacío del QED se llena con electrones de energía negativa o, en términos modernos, con pares electrón-positrón. Estos electrones de energía negativa deberían ser capaces de producir una dispersión de fotones elástica coherente porque el momento de retroceso durante la absorción y emisión del fotón se transfiere al átomo total mientras 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 unidos en 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 transversales diferenciales experimentales y predichas para la dispersión elástica de átomos pesados ​​se interpretó en términos de dispersión de Delbrück. Desde el punto de vista actual, estos primeros resultados no son dignos de confianza. Sólo fue posible realizar investigaciones fiables después de que se dispusiera de modernas técnicas QED basadas en diagramas de Feynman para predicciones cuantitativas y, en el ámbito experimental, se desarrollaran detectores de fotones con alta resolución energética y alta eficiencia de detección. Esto era lo que ocurría a principios de los años 1970, cuando también funcionaban ordenadores con una alta capacidad de cálculo que proporcionaban resultados numéricos de las amplitudes de dispersión de Delbrück con suficiente precisión.

Una primera observación de la dispersión de Delbrück se logró en un experimento de dispersión de fotones de ángulo pequeño y alta energía llevado a cabo en DESY (Alemania) en 1973, [4] donde sólo la parte imaginaria de la amplitud de dispersión es importante. Se obtuvo acuerdo 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 cuasi clásica siendo muy diferente de la de Cheng y Wu. Sin embargo, podría demostrarse que ambas aproximaciones son equivalentes y conducen a los mismos resultados numéricos. El avance fundamental se produjo con el experimento de Göttingen (Alemania) en 1975, llevado a cabo con 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 la dispersión de Rayleigh nuclear. Este experimento fue el primero en el que se confirmaron con alta 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 obtener 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 se observó realmente 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 Jackson y Wetzel en 1969 [21] y Moreh y Kahane en 1973. [22] En ambos trabajos se utilizaron rayos gamma de mayor energía en comparación con los de Göttingen, lo que confiere una mayor contribución de la dispersión de Delbrück a la dispersión general medida. sección transversal. En general, en la región de la física nuclear de baja energía, es decir <10–20 MeV, un experimento de Delbrück mide una serie de procesos coherentes en competencia, incluida también la dispersión de Rayleigh de los electrones, la dispersión de Thomson desde el 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) presentan considerables incertidumbres. La interferencia de estos efectos con Delbrück no es en modo alguno "menor" (nuevamente "en las energías de la física nuclear clásica"). Incluso en ángulos de dispersión muy directos, en los que Delbrück es muy fuerte, se produce una interferencia sustancial con la dispersión de Rayleigh, siendo las amplitudes de ambos efectos del mismo orden de magnitud. [23]

Referencias

  1. ^ Burke, DL; Campo, RC; Horton-Smith, G.; Spencer, JE; Walz, D.; Berridge, Carolina del Sur; Bugg, WM; Shmakov, K.; Weidemann, AW; Bula, C.; McDonald, KT; Prebys, EJ; Bamber, C.; Boege, SJ; Koffas, T.; Kotseroglou, T.; Melissinos, AC; Meyerhofer, DD; Reis, DA; Ragg, W. (1997). "Producción de positrones en dispersión multifotónica luz por luz". Cartas de revisión física . 79 (9): 1626-1629. Código bibliográfico : 1997PhRvL..79.1626B. doi : 10.1103/PhysRevLett.79.1626.
  2. ^ Memorias biográficas: Volumen 62 págs. 66-117 "MAX LUDWIG HENNING DELBRÜCK 4 de septiembre de 1906 - 10 de marzo de 1981" POR WILLIAM HAYES http://books.nap.edu/openbook.php?record_id=2201&page=66
  3. ^ Meitner, L.; Kösters, H. (1933). "Über die Streuung kurzwelliger γ-Strahlen" [Sobre la dispersión de los rayos gamma de onda corta]. Zeitschrift für Physik (en alemán). 84 (3–4). Springer Science y Business Media LLC: 137–144. doi :10.1007/bf01333827. ISSN  1434-6001.(con comentario del señor Delbrück)
  4. ^ Jarlskog, G.; Jönsson, L.; Prunster, S.; Schulz, HD; Willutzki, HJ; Winter, GG (1 de noviembre de 1973). "Medición de la dispersión de Delbrück y observación de la división de fotones a altas energías". Revisión física D. 8 (11). Sociedad Estadounidense de Física (APS): 3813–3823. doi :10.1103/physrevd.8.3813. ISSN  0556-2821.
  5. ^ Cheng, colgado; Wu, Tai Tsun (31 de marzo de 1969). "Dispersión elástica de alta energía en electrodinámica cuántica". Cartas de revisión física . 22 (13). Sociedad Estadounidense de Física (APS): 666–669. doi :10.1103/physrevlett.22.666. ISSN  0031-9007.
  6. ^ Cheng, colgado; Wu, Tai Tsun (25 de junio de 1969). "Procesos de colisión de alta energía en electrodinámica cuántica. I". Revisión física . 182 (5). Sociedad Estadounidense de Física (APS): 1852–1867. doi :10.1103/physrev.182.1852. ISSN  0031-899X.
  7. ^ Cheng, colgado; Wu, Tai Tsun (25 de junio de 1969). "Procesos de colisión de alta energía en electrodinámica cuántica. II". Revisión física . 182 (5). Sociedad Estadounidense de Física (APS): 1868–1872. doi :10.1103/physrev.182.1868. ISSN  0031-899X.
  8. ^ Cheng, colgado; Wu, Tai Tsun (25 de junio de 1969). "Procesos de colisión de alta energía en electrodinámica cuántica. III". Revisión física . 182 (5). Sociedad Estadounidense de Física (APS): 1873–1898. doi :10.1103/physrev.182.1873. ISSN  0031-899X.
  9. ^ Cheng, colgado; Wu, Tai Tsun (25 de junio de 1969). "Procesos de colisión de alta energía en electrodinámica cuántica. IV". Revisión física . 182 (5). Sociedad Estadounidense de Física (APS): 1899–1906. doi :10.1103/physrev.182.1899. ISSN  0031-899X.
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  11. ^ Mil'shtein, AI; Strakhovenko, VM (1983). "Dispersión coherente de fotones de alta energía en un campo de Coulomb" (PDF) . JETP de física soviética . 58 (1): 8. Archivado desde el original (PDF) el 15 de agosto de 2019 . Consultado el 15 de agosto de 2019 .
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