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量子電動力學又一重大勝利------ATLAS實驗首次發現光子-光子彈性散射

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撰文者:黎偉健 博士 (Department of Physics, Technical University of Munich, Germany)
發文日期:2017-12-12
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  • LHC的ATLAS實驗於2017年8月14日在學術期刊《自然》宣佈首次發現光子-光子彈性散射(γγ→γγ ),並且所量度到的散射截面與標準模型預測吻合。光子-光子散射在經典電磁理論中不可能發生,它是純粹的量子效應,是量子電動力學的一項驚人預言。光子-光子散射早在1930年代已被提出,在80多年後的今年終於被實驗證實。

    根據經典電磁理論,電磁場遵從Maxwell方程。Maxwell方程是一組線性方程,其解遵從 綫性叠加原理。也就是說,當兩個電磁波相遇時,它們的結果是簡單的加起來,因而最後 各不相干的依原先方向行走。這就正如當我們把兩個電筒放出來的光束重叠時,兩束光的 各自方向並不會受影響。可是,經典電磁理論忽略了量子效應,即忽略了含有迴圈的費曼圖。根據量子場論,量子漲落容許極短時間內的能量不守恆(當然實驗所能量度到的能量必守恆),從而質量為零的光子在極短時間內能衰變成一正反電子對,稱為虚粒子對。圖 一顯示了含一虚電子迴圈的光子-光子彈性散射費曼圖(這裏彈性散射指初始態和最終態具 有相同粒子成份的散射)。由於圖一含有多個相互作用頂點,光子-光子彈性散射極為罕見。
    Fig_1
    圖1

     



    較為常見的是光子-光子非彈性散射,例如正反電子對產生(γγ→e+e-),其費曼圖如圖 二。注意,散射截面正比於費曼圖給出的幅的平方。由於每個頂點對應因子α1/2(其中 α~1/137為電磁耦合常數),而圖一比圖二多兩個頂點,光子-光子彈性散射(γγ→γγ)的機率比光子-光子非彈性散射(如γγ→e+e-)的機率小一萬倍。光子-光子彈性散射意味着電磁波並不嚴格遵從綫性叠加原理。也就是說,當兩束光相遇時,有極小部分的光子會進行彈性散射,因而光束的一小部份確實會改變行走方向。當然,由於光的這種非綫性量子效應發生的機率很小,在日常應用中,Maxwell方程仍然對電磁場作出極精確的描述。
    Fig_2
    圖2


    這次ATLAS的發現是基於對重離子碰撞的探測結果。兩束鉛原子核以高速(碰撞能量為 5.02 TeV)相撞。鉛原子核帶正電荷,其產生的電場綫在原子核的高速運動下如圖三。如圖所示,因為相對論的長度縮短效應,電場綫集中在垂直於原子核運動的方向。即使兩顆 原子核並没有碰到,它們所產生的電場綫仍會互相碰上。這些以高速移動的高強度電場可 被視為高能量光子,而電場的相遇就是高能光子的碰撞。為了探測這些光子的彈性碰撞,實驗物理學家搜尋有以下特性的散射事件:終態有兩顆高能光子,並且鉛原子核束運 動方向不變。
    Fig_3
    圖3

    圖四顯示了該類散射中的終態光子洛倫兹不變質量(即質心系總能量)分佈。從圖可見,實驗數據與理論預測吻合。此次發現的統計顯著度達4.4σ,量度得的已積散射截面為70±24(stat.)±17(syst.) nb,而理論預測的已積散射截面為45±9 nb。 
    Fig_4
    圖4

    封面圖來自於:ATLAS 偵測器Maximilien Brice - http://cds.cern.ch/record/910381 (CC BY SA4.0)
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