Breit-Wheeler 프로세스

Breit–Wheeler process
브릿-휠러 프로세스는 두 개의 고에너지 광자(감마 광자)가 충돌한 후 전자-양전자 쌍을 만드는 것입니다.
비선형 브릿-휠러 프로세스 또는 멀티포토 브릿–휠러는 레이저와 같은 강한 전자기장과 상호작용하는 고에너지 광자(감마 광자)의 붕괴로부터 전자-양전자 쌍을 생성하는 것입니다.

브릿-휠러 프로세스 또는 Breit –휠러 쌍 생산은 두 광자의 충돌로부터 양전자-전자 쌍이 생성되는 제안된 물리적 과정입니다. 순수한 빛이 잠재적으로 물질로 변환될 수 있는 가장 간단한 메커니즘입니다. 이 프로세스는 γ γ' → ee의 형태를 취할 수 있습니다. 여기서 γ와 γ'는 두 개의 광 양자(예를 들어 감마 광자)입니다.

다광자 브레이트-휠러 프로세스, 비선형 브릿이라고도 함-휠러 또는 스트롱 필드 브릿–문헌에서 휠러는 고에너지 프로브 광자가 강한 전자기장(예를 들어 레이저 펄스)을 통해 전파되는 쌍으로 붕괴될 때 발생합니다.[2] 선형 프로세스와 대조적으로, 이는 ω + n γ→ e의 형태를 취할 수 있습니다. 여기서 n은 광자의 수를 나타내고 ω은 가간섭 레이저 필드를 나타냅니다.

전자와 양전자가 충돌하여 소멸하여 감마 광자 한 쌍을 생성하는 역과정 e → γ γ'는 전자-양전자 소멸 또는 이를 처음 이론적으로 기술하고 브라이트를 예상한 물리학자의 이름을 딴 디랙 과정으로 알려져 있습니다.휠러 공정.

이 메커니즘은 이론적으로 매우 약한 확률을 특징으로 하므로 상당한 수의 쌍을 생성하려면 전자와 양전자 정지 질량 에너지에 가깝거나 위에 있는 광자 에너지를 가진 두 개의 매우 밝고 시준된 광자 소스가 필요합니다. 예를 들어, 감마선 레이저와 같은 소스를 제조하는 것은 여전히 기술적 과제입니다. 많은 실험적 형태에서 순수한 브레이트-휠러는 이 메커니즘을 통해 생성된 쌍을 스크린하는 보다 효율적인 쌍 생성 프로세스에 의해 지배됩니다.[2][4][5] 그러나 디랙 과정(쌍멸)은 광범위하게 검증되었습니다. 이것은 다광자 브레이트의 경우에도 마찬가지입니다.1997년 스탠퍼드 선형 가속기 센터에서 고에너지 전자와 역전파 테라와트 레이저 펄스를 충돌시켜 관찰된 휠러.[6][7]

이 메커니즘은 여전히 지구에서 실험적으로 관찰하기 가장 어려운 것 중 하나이지만, 우주 거리를 이동하는 고에너지 광자의 흡수에는 상당히 중요합니다.[8][9][5]

광자-광자와 다중광자 브레이트-휠러 과정은 양자전기역학 이론에 의해 이론적으로 설명됩니다.

역사

광자-광자 브레이트-휠러 과정은 Gregory Breit와 John A에 의해 이론적으로 설명되었습니다. 1934년 물리학 리뷰에서 휠러.[1] 반물질과 쌍소멸에 관한 이전의[3] 폴 디랙의 이론적 연구를 답습했습니다. 1928년 폴 디랙의 연구는 전자가 상대론적 양자론의 틀을 따라 양과 음의 에너지 상태를 가질 수 있다고 제안했지만, 새로운 입자의 존재를 명시적으로 예측하지는 않았습니다.

실험 관측치

광자-광자 브레이트-휠러 가능한 실험 구성

비록 이 과정은 질량-에너지 등가성의 표현 중 하나이지만, 2017년 현재 순수한 브레이트-충돌 감마선 빔을 준비하기가 어렵고 이 메커니즘의 매우 약한 확률 때문에 휠러는 실제로 관찰된 적이 없습니다. 최근, 다른 팀들이 지구에서 마침내 관찰할 수 있는 가능한 실험 구성에 대한 새로운 이론적 연구를 제안했습니다.

2014년 임페리얼 칼리지 런던의 물리학자들은 브레이트를 물리적으로 증명하는 비교적 간단한 방법을 제안했습니다.휠러 공정.[10] 물리학자들이 제안한 충돌기 실험은 두 가지 핵심 단계를 포함합니다. 첫째, 그들은 극도로 강력한 고강도 레이저를 사용하여 전자를 거의 빛의 속도로 가속시킬 것입니다. 그리고 나서 그들은 이 전자들을 금 덩어리로 발사하여 가시광선보다 10억 배나 더 에너지가 있는 광자 빔을 만듭니다. 실험의 다음 단계는 홀라움(독일어로 '빈 방' 또는 '공동'을 의미함)이라고 불리는 작은 금 캔을 포함합니다. 과학자들은 열복사장을 만들기 위해 이 홀의 내부 표면에 고에너지 레이저를 발사할 것입니다. 그런 다음 실험의 첫 번째 단계에서 광자 빔을 홀라움의 중심을 통해 유도하여 두 소스에서 나온 광자가 충돌하여 전자와 양전자를 형성합니다. 그러면 전자와 양전자가 캔을 나갈 때 형성되는 것을 감지할 수 있습니다.[10] 몬테카를로 시뮬레이션에 따르면 이 기술은 105 브라이트의 수를 생산할 수 있습니다.휠러는 한 번에 쌍을 이룹니다.[11][12]

2016년, 브레이트를 증명하고 연구하기 위한 두 번째[4] 새로운 실험 장치가 이론적으로 제안되었습니다.휠러 프로세스는 고체 얇은 호일 또는 가스 제트에 두 개의 극도로 강렬한 레이저의 상호작용으로 생성된 두 개의 고에너지 광자 소스(비간섭성 하드 x선 및 감마선 광자로 구성됨)를 충돌시키는 것입니다. 다가오는 짧은 펄스 극도로 강렬한 레이저, 고체 표적과의 레이저 상호 작용은 비선형 역양자 산란에 의해 구동되는 강력한 복사 효과의 장소가 될 것입니다. 이 효과는 지금까지 무시해 온 것이지만, 다른 메커니즘을 통해 레이저-고체 인터페이스에서 100 MeV 수준 이상으로 가속된 극도로 상대론적인 전자에 대한 지배적인 냉각 메커니즘이 될 것입니다.

다광자 브릿–휠러 실험

다광자 브레이트-휠러 공정은 이미 실험적으로 관찰되고 연구되었습니다. 멀티포토 Breit을 최대화하기 위한 가장 효율적인 구성 중 하나입니다.휠러 쌍 생산은 감마 광자 다발을 역 전파(또는 약간의 충돌 각도를 가진 공동 전파 구성은 덜 효율적인 구성) 초고강도 레이저 펄스와 정면으로 충돌시키는 것으로 구성됩니다. 광자를 먼저 생성한 다음 쌍을 일체형 설정으로 생성하기 위해 GeV 전자를 충돌시켜 유사한 구성을 사용할 수 있습니다. 레이저 세기에 따라 이 전자들은 먼저 레이저 펄스와 상호작용할 때 소위 비선형 역 콤프턴 산란 메커니즘을 통해 감마 광자를 방사합니다. 여전히 레이저와 상호작용을 하는 광자는 다광자 브레이트로 변합니다.휠러 전자-양전자 쌍

이 방법은 1997년 스탠포드 선형 가속기 센터에서 사용되었습니다. 연구원들은 다광자 브라이트를 수행할 수 있었습니다.휠러 공정은 먼저 전자를 이용해 고에너지 광자를 만들고,[13] 그 후 전자와 양전자를 여러 번 충돌시켜 모두 같은 챔버 안에서 만들어냅니다.[6][7][14] 전자는 선형 가속기에서 46.6 GeV의 에너지로 가속된 후 강도 1018 W/cm2(최대 전기장 진폭은 약 6×109 V/m), 파장 527 나노미터 및 지속 시간 1.6 피코초의 네오디뮴(Nd:glass) 선형 편광 레이저로 정면으로 전송되었습니다. 이러한 구성에서 최대 29 GeV의 에너지의 광자가 생성된 것으로 추정되었습니다. 이로 인해 GeV 레벨(13 GeV 부근의 피크)에서 넓은 에너지 스펙트럼을 가진 106 ± 14 양전자가 산출되었습니다.

앞에서 언급한 실험은 더 강력한 레이저 기술로 SLAC에서 미래에 재현될 수 있습니다. 더 높은 레이저 강도(10W20/cm2)를 사용하는 것은 프로세스 효율을 크게 향상시킬 수 있는 단 펄스 티타늄-사파이어 레이저 솔루션으로 쉽게 달성할 수 있습니다(역 비선형 콤프턴 및 비선형 브레이트–).휠러 쌍 생성)을 통해 몇 배나 더 높은 반물질 생산이 가능하여 고해상도 측정, 추가 질량 이동 및 비선형 및 스핀 효과가 가능합니다.[15]

미래의 다중 페타와트 레이저 시스템에서 사용할 수 있을 것으로 예상되는 극도의 강도는 전자 빔이 소위 레이저 웨이크필드 가속 시스템에서 가스 제트와 직접 레이저 상호 작용에서 생성되는 모든 광학, 레이저-전자 충돌 실험을 가능하게 할 것입니다. 그런 다음 생성된 전자 다발이 두 번째 고출력 레이저와 상호 작용하도록 만들어져서 QED 프로세스를 연구합니다. 전광 다중광자 Breit의 실현 가능성-휠러 쌍 생산 방식은 이론적으로 처음 제안되었습니다. 이 방식의 구현은 CIEX-Apollon[17] 및 ELI 시스템과[18] 같은 다중 빔 숏펄스 극강도 레이저 설비(CPA 티타늄 사파이어 기술은 0.8 마이크로미터, 15–30 펨토초)로 제한됩니다. 2단계 프로파일과 같은 조정되고 최적화된 가스-제트 밀도 프로파일의 사용과 결합된 1페타와트의 첫 번째 레이저로 GeV가 거의 없고 나노콤보가 거의 없는 전자 빔의 생성이 가능합니다. 이22 전자 빔을 10W/cm2 이상의 강도의 두 번째 레이저와 정면으로 충돌시켜 강력한 쌍을 생성할 수 있습니다. 이러한 강도 수준의 구성에서 이론적 연구는 수백 개의 피코 쿨롬 반물질이 생성될 수 있다고 예측합니다.[19] 이 실험 설정은 가장 다작하는 양전자 수율 공장 중 하나가 될 수도 있습니다. 이 전광 시나리오는 10W21/cm2 정도의 낮은 레이저 강도로 예비 테스트를 수행할 수 있습니다.

2021년 7월 상대론적 중이온 충돌기의 4개 실험 중 하나인 STAR 탐지기에 의해 이 과정과 일치하는 증거가 보고되었지만 질량 없는 광자 때문인지, 아니면 질량이 큰 가상 광자 때문인지는 불분명합니다. 진공 복굴절도 연구되어 공정에 대한 최초의 알려진 관찰을 주장할 수 있을 만큼 충분한 증거를 확보했습니다.[20][21][22]

참고 항목

참고문헌

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