當前位置:首頁>科技> 布萊特-惠勒過程:光子-光子碰撞,從能量到物質的轉化
發布時間:2025-10-27閱讀( 15)
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1934年,物理學家布萊特(Breit)和惠勒(Wheeler)預言了一種物理過程,即兩個高能光子通過極化脈沖式電磁場時,發生對撞則可以生成一對正負電子。這個過程稱為布萊特-惠勒過程(Breit-Wheeler process),也是將純粹能量形式的光轉換成物質的最簡單方式。
然而,要實現這個過程并不容易。首先,光子之間的相互作用非常微弱,因為它們都帶有零電荷,只能通過高階圈圖來交換虛擬電子-正電子對。其次,要產生足夠重的電子-正電子對,需要非常高的光子能量。根據能量-動量守恒和相對論性動能公式,可以推導出兩個光子的最小能量分別為:
要實現光子-光子碰撞,需要有高能的光子源和高精度的對準裝置。目前,有兩種主要的方案來制造和控制高能光子:一種是利用激光和電子束的相互作用,另一種是利用重離子的超邊緣碰撞。 由于Breit-Wheeler過程的難度很大,直到目前為止,在實驗室中還沒有直接觀察到純粹的光子-光子碰撞產生物質的現象。雖然沒有直接觀察到兩個真實光子相撞產生物質,但是有一些實驗觀察到了一個類似的過程:一個真實光子和一個虛擬光子相撞產生物質。 例如在斯坦福直線加速器(SLAC)上,利用低發散度的46.6 GeV電子束與強激光脈沖相互作用,觀察到了正負電子對的產生。在歐洲核子研究中心,利用大型強子對撞機上鉛-鉛碰撞中鉛離子周圍的強電磁場,觀察到了正負電子對、正負μ子對、正負τ對。
這些實驗結果都表明,光子-光子碰撞產生物質是可能的,只要有足夠的能量和合適的條件。這些實驗也為驗證量子電動力學的預言和探索新物理提供了有價值的數據和方法。未來,隨著加速器和激光器技術的發展,我們有望在實驗室中直接觀察到純粹的光子-光子碰撞產生物質的過程,從而揭開光與物質之間的奧秘。 |
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