當(dāng)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(zhì)的轉(zhuǎn)化
發(fā)布時間:2025-10-27閱讀(1)
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1934年,物理學(xué)家布萊特(Breit)和惠勒(Wheeler)預(yù)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(fā)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(zhuǎn)換成物質(zhì)的最簡單方式。
然而,要實現(xiàn)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(chǎn)生足夠重的電子-正電子對,需要非常高的光子能量。根據(jù)能量-動量守恒和相對論性動能公式,可以推導(dǎo)出兩個光子的最小能量分別為:
要實現(xiàn)光子-光子碰撞,需要有高能的光子源和高精度的對準(zhǔn)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(chǎn)生物質(zhì)的現(xiàn)象。雖然沒有直接觀察到兩個真實光子相撞產(chǎn)生物質(zhì),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(chǎn)生物質(zhì)。 例如在斯坦福直線加速器(SLAC)上,利用低發(fā)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(chǎn)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(jié)果都表明,光子-光子碰撞產(chǎn)生物質(zhì)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(xué)的預(yù)言和探索新物理提供了有價值的數(shù)據(jù)和方法。未來,隨著加速器和激光器技術(shù)的發(fā)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(chǎn)生物質(zhì)的過程,從而揭開光與物質(zhì)之間的奧秘。 |
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