Diffusion de Delbrück - Delbrück scattering

La diffusion de Delbrück , la déviation de photons de haute énergie dans le champ de Coulomb des noyaux en conséquence de la polarisation sous vide, a été observée en 1975. Le processus connexe de la diffusion de la lumière par la lumière , également une conséquence de la polarisation sous vide, n'a été observé que 1998. Dans les deux cas, il s'agit d'un processus décrit par l'électrodynamique quantique .

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  Le diagramme de Feynman de la diffusion de Delbrück. La ligne ondulée représente un photon et la ligne double un électron dans le champ externe d'un noyau .

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  Le diagramme d'ordre le plus bas a quatre sommets et se compose de deux photons entrants, qui s'annihilent en une paire virtuelle électron-positon , qui s'annihile ensuite à nouveau en deux photons réels.

Découverte

De 1932 à 1937, Max Delbrück travaille à Berlin comme assistant de Lise Meitner , qui collabore avec Otto Hahn sur les résultats de l'irradiation de l'uranium avec des neutrons. Au cours de cette période, il a écrit quelques articles, dont l'un s'est avéré être une contribution importante sur la diffusion des rayons gamma par un champ de Coulomb en raison de la polarisation du vide produit par ce champ (1933). Sa conclusion s'est avérée théoriquement valable mais inapplicable au cas d'espèce, mais 20 ans plus tard, Hans Bethe a confirmé le phénomène et l'a nommé "diffusion de Delbrück".

En 1953, Robert Wilson a observé la diffusion Delbrück de rayons gamma de 1,33 MeV par les champs électriques des noyaux de plomb.

Addendum : La diffusion Delbrück est la diffusion élastique cohérente des photons dans le champ de Coulomb des noyaux lourds. C'est l'un des deux effets non linéaires de l'électrodynamique quantique (QED) dans le champ de Coulomb étudié expérimentalement. L'autre est la division d'un photon en deux photons. La diffusion de Delbrück a été introduite par Max Delbrück afin d'expliquer les écarts entre les données expérimentales et prédites dans une expérience de diffusion Compton sur des atomes lourds réalisée par Meitner et Kösters. Les arguments de Delbrück étaient basés sur la mécanique quantique relativiste de Dirac selon laquelle le vide QED est rempli d'électrons d'énergie négative ou - en termes modernes - de paires électron-positon. Ces électrons d'énergie négative devraient être capables de produire une diffusion de photons cohérente-élastique parce que l'impulsion de recul pendant l'absorption et l'émission du photon est transférée à l'atome total tandis que les électrons restent dans leur état d'énergie négative. Ce processus est l'analogue de la diffusion de Rayleigh atomique à la seule différence que dans ce dernier cas, les électrons sont liés dans le nuage d'électrons de l'atome. L'expérience de Meitner et Kösters a été la première d'une série d'expériences où l'écart entre les sections efficaces différentielles expérimentales et prédites pour la diffusion élastique par des atomes lourds a été interprété en termes de diffusion de Delbrück. Du point de vue actuel, ces premiers résultats ne sont pas dignes de foi. Des investigations fiables n'ont été possibles qu'après que des techniques QED modernes basées sur des diagrammes de Feynman étaient disponibles pour des prédictions quantitatives, et sur le plan expérimental, des détecteurs de photons à haute résolution énergétique et à haute efficacité de détection avaient été développés. Ce fut le cas au début des années 1970, lorsque des ordinateurs à haute capacité de calcul étaient également en service et fournissaient des résultats numériques pour les amplitudes de diffusion de Delbrück avec une précision suffisante. Une première observation de la diffusion de Delbrück a été réalisée dans une expérience de diffusion de photons à haute énergie et aux petits angles réalisée à DESY (Allemagne) en 1973, où seule la partie imaginaire de l'amplitude de diffusion est importante. Un accord a été obtenu avec les prédictions de Cheng Wu qui ont ensuite été vérifiées par Milstein et Strakhovenko. Ces derniers auteurs utilisent l'approximation quasi-classique étant très différente de celle de Cheng et Wu. On pourrait cependant montrer que les deux approximations sont équivalentes et conduisent aux mêmes résultats numériques. La percée essentielle est venue avec l'expérience de Göttingen (Allemagne) en 1975 réalisée à une énergie de 2,754 MeV. Dans l'expérience de Göttingen, la diffusion de Delbrück a été observée comme la contribution dominante au processus de diffusion élastique cohérente, en plus des contributions mineures provenant de la diffusion de Rayleigh atomique et de la diffusion de Rayleigh nucléaire. Cette expérience a été la première où des prédictions exactes basées sur les diagrammes de Feynman ont été confirmées avec une grande précision et, par conséquent, doit être considérée comme la première observation définitive de la diffusion de Delbrück. Pour une description complète de l'état actuel de la diffusion de Delbrück, voir. De nos jours, les mesures les plus précises de la diffusion Delbrück à haute énergie sont effectuées à l' Institut Budker de physique nucléaire (BINP) à Novossibirsk (Russie). L'expérience où la séparation des photons a été réellement observée pour la première fois a également été réalisée au BINP.

Clarification : Il existe un certain nombre de travaux expérimentaux publiés antérieurement à l'expérience de Göttingen de 1975 (ou même à celle de Desy de 1973). Les plus notables Jackson et Wetzel en 1969 et Moreh et Kahane en 1973. Dans ces deux travaux, des rayons gamma d'énergie plus élevée ont été utilisés par rapport à celui de Göttingen, conférant une contribution plus élevée de la diffusion de Delbrück à la section efficace globale mesurée. En général, dans la région de la physique nucléaire à basse énergie, c'est-à-dire < 10-20 MeV, une expérience de Delbrück mesure un certain nombre de processus cohérents concurrents, notamment la diffusion Rayleigh des électrons, la diffusion Thomson à partir du noyau ponctuel et l'excitation nucléaire via la résonance dipolaire géante . Hormis la diffusion Thomson qui est bien connue, les deux autres (à savoir Rayleigh et GDR) présentent des incertitudes considérables. L'interférence de ces effets avec Delbrück n'est en aucun cas « mineure » (encore une fois « aux énergies de la physique nucléaire classique »). Même à des angles de diffusion très avancés, où Delbrück est très fort, il existe une interférence substantielle avec la diffusion Rayleigh, les amplitudes des deux effets étant du même ordre de grandeur (voir ).

Les références