[论文解读] A Proposal to Measure Photon-Photon Scattering

Takehisa Fujita, Naohiro Kanda|arXiv (Cornell University)|May 30, 2011

Advanced Optical Sensing Technologies参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出一种新颖的实验方法，用于测量低能下的光子-光子散射，认为应首先测量 $γ + \gamma \rightarrow e^+ + e^-$ 过程，作为初始状态控制的基准。结果表明，弹性 $γ\gamma \rightarrow \gamma\gamma$ 截面比海森堡-艾勒尔预测大 $\sim 10^{37}$ 倍，若能掌握初始碰撞条件，则该过程可能被观测到。

ABSTRACT

We discuss a possibility to measure the photon-photon scattering cross section at low energy in a theoretical standpoint. The cross section of photon-photon scattering at low energy can be written as $\displaystyle{{dσ\over dΩ} \simeq {α^4\over (12π)^2 ω^2} (3+2\cos^2θ+\cos^4θ)}$ with $ω$ the energy of photon. The magnitude of the cross section at $ω\simeq 1$ eV should be $10^{37}$ times larger than the prediction of Heisenberg and Euler who calculated the photon scattering by the classical picture of field theory. Due to a difficulty of the initial condition of photon-photon reaction process, we propose to first measure $γ+γ ightarrow e^++e^- $ reaction at a few MeV before measuring $γ+γ ightarrow γ+γ$ elastic scattering.

研究动机与目标

• 解决长期以来因难以实现受控的正面对撞光子而造成的光子-光子散射实验挑战。
• 论证 $γ + \gamma \rightarrow e^+ + e^-$ 过程是测量弹性 $γ\gamma \rightarrow \gamma\gamma$ 散射之前必不可少的实验前驱。
• 证明在低能下，量子场论对 $γ\gamma \rightarrow \gamma\gamma$ 截面的预测远大于经典海森堡-艾勒尔结果。
• 为估算兆电子伏能区的截面提供定量框架，以支持实验规划。

提出的方法

• 提出使用 $γ + \gamma \rightarrow e^+ + e^-$ 作为控制实验，以在尝试测量弹性 $γ\gamma \rightarrow \gamma\gamma$ 散射前验证初始状态条件。
• 利用量子场论推导出低能 $γ\gamma \rightarrow \gamma\gamma$ 散射的微分截面 $d\sigma/d\Omega \simeq \alpha^4 / (12\pi)^2 \omega^2 (3 + 2\cos^2\theta + \cos^4\theta)$。
• 将预测的量子截面与经典海森堡-艾勒尔结果进行比较，发现在 $\omega \sim 1$ eV 时增强约 $10^{37}$ 倍。
• 对 $e^+e^-$ 散射截面进行简单能量外推，以估算在 $\sim$2 MeV 时 $γ\gamma \rightarrow \gamma\gamma$ 截面的量级。
• 分析光子-光子对撞的运动学与动力学约束，强调由于光子无法静止，必须采用机械聚焦。
• 认为在几兆电子伏能区，$γ\gamma \rightarrow e^+e^-$ 过程的截面与康普顿散射量级相当，因此可作为可行的实验监测手段。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管有理论预测，为何光子-光子散射至今未被实验观测到？
• RQ2 根据量子场论，$γ\gamma \rightarrow \gamma\gamma$ 散射在低能下的正确截面是多少？
• RQ3 $γ + \gamma \rightarrow e^+ + e^-$ 过程能否作为验证光子-光子散射实验初始条件的实际基准？
• RQ4 量子场论对 $γ\gamma \rightarrow \gamma\gamma$ 的预测与经典海森堡-艾勒尔结果相比如何？
• RQ5 实现正面对撞光子的实验挑战是什么？如何缓解？

主要发现

• 在低能下，$γ\gamma \rightarrow \gamma\gamma$ 散射的微分截面预测为 $d\sigma/d\Omega \simeq \alpha^4 / (12\pi)^2 \omega^2 (3 + 2\cos^2\theta + \cos^4\theta)$，在低能极限下与电子质量无关。
• 在 $\omega \sim 1$ eV 时，预测截面比海森堡-艾勒尔经典结果大 $10^{37}$ 倍，表明量子效应导致显著增强。
• 在几兆电子伏能区，$γ\gamma \rightarrow e^+ + e^-$ 的截面与康普顿散射量级相当，使其成为可行的实验监测手段。
• 估算得到在 $\sim$2 MeV 时 $γ\gamma \rightarrow \gamma\gamma$ 的微分截面约为 $\sim 6 \times 10^{-7}$ mb/st，比 $e^+e^-$ 弹性散射小 7 个数量级，但仍可能被探测到。
• 主要实验困难在于实现正面对撞光子的精确初始条件，因为光子无法静止，必须依赖机械聚焦。
• 本文结论认为，一旦成功演示 $γ + \gamma \rightarrow e^+ + e^-$ 过程作为控制实验，$γ\gamma \rightarrow \gamma\gamma$ 散射的观测是可行的。