デルブリュック散乱

デルブリュック散乱は、真空分極の結果として原子核のクーロン場における高エネルギー光子の偏向であり、1975年に観測された。光による光の散乱、1998年まで観測されなかった。 ^{[ 1 ]}どちらの場合も、量子電磁力学によって記述されるプロセスである。

1932年から1937年にかけて、マックス・デルブリュックはベルリンで、オットー・ハーンと共同でウランに中性子を照射した結果の研究を行っていたリーゼ・マイトナーの助手として働いていた。この期間に彼はいくつかの論文を執筆し、そのうちの1つは、クーロン場によって生成された真空の偏極によるガンマ線の散乱に関する重要な貢献となった（1933年）。彼の結論は理論的には正しかったが、この事例には適用できなかったが、20年後にハンス・ベーテがこの現象を確認し、「デルブリュック散乱」と名付けた。^{[ 2 ]}

1953年、ロバート・ウィルソンは、鉛原子核の電場による1.33MeVのガンマ線のデルブリュック散乱を観測した。

デルブリュック散乱は、重原子核のクーロン場における光子のコヒーレント弾性散乱である。これは、実験的に研究されているクーロン場における量子電磁力学（QED）の2つの非線形効果の1つである。もう1つは、光子が2つの光子に分裂することである。デルブリュック散乱は、マイトナーとケスターズが重原子で行ったコンプトン散乱実験における実験データと予測データの間の不一致を説明するためにマックス・デルブリュックによって導入された。^{[ 3 ]}デルブリュックの議論は、QED真空が負のエネルギーの電子、つまり現代の用語で言えば電子-陽電子対で満たされているというディラックの相対論的量子力学に基づいていた。これらの負のエネルギーの電子は、光子の吸収と放出中の反跳運動量が原子全体に伝達される一方で、電子は負のエネルギー状態のままであるため、コヒーレント弾性光子散乱を生成できるはずである。この過程は原子レイリー散乱のアナログであり、唯一の違いは後者の場合、電子が原子の電子雲に束縛されている点である。マイトナーとケスタースの実験は、重原子による弾性散乱の実験値と予測値の微分断面積の不一致をデルブリュック散乱の観点から解釈した一連の実験の最初のものであった。現在の観点からすると、これらの初期の結果は信頼できない。信頼できる調査が可能になったのは、ファインマン図に基づく最新の量子電磁力学（QED）技術が定量的予測に利用可能になり、実験面では高エネルギー分解能と高検出効率の光子検出器が開発された後であった。これは1970年代初頭の状況であり、当時、デルブリュック散乱振幅の数値結果を十分な精度で出力できる高計算能力のコンピュータも稼働していた。

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  デルブリュック散乱のファインマン図。波線は光子を、二重線は原子核の外部場における電子を表す。
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  最も低い次数の図は4つの頂点を持ち、入射する2つの光子から構成され、それらが対消滅して仮想電子・陽電子対となり、その後再び対消滅して2つの実光子となる。

デルブリュック散乱の最初の観測は、1973年にDESY（ドイツ）で行われた高エネルギー小角光子散乱実験で達成された^{[ 4 ] 。この実験では、散乱振幅の虚数部のみが重要である。チェン・ウー[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}の予測と一致し、後にミルスタインとストラホベンコによって検証された^{[ 10 ] [ 11 ]} 。後者の著者らは、チェンとウーのものとは全く異なる準古典近似を使用している。しかし、両方の近似は等価であり、同じ数値結果をもたらすことが示された。本質的な突破口は、1975年にゲッティンゲン（ドイツ）で行われた2.754 MeVのエネルギーでの実験で得られた。^{[ 12 ]}ゲッティンゲン実験では、原子レイリー散乱と核レイリー散乱によるわずかな寄与に加えて、デルブリュック散乱がコヒーレント弾性散乱過程への支配的な寄与として観測されました。この実験は、ファインマン図に基づく正確な予測^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}が高精度で確認された最初の実験であり、したがって、デルブリュック散乱の最初の確実な観測とみなされなければなりません。デルブリュック散乱の現状についての包括的な説明については、^{[ 16 ] [ 17 ]}を参照してください。現在、高エネルギーデルブリュック散乱の最も正確な測定は、ロシアのノボシビルスクにあるブドカー核物理研究所(BINP)で行われています。^{[ 18 ]}光子分裂が実際に初めて観測された実験も、BINP で行われました。^{[ 19 ] [ 20 ]}

1975年のゲッティンゲン実験（あるいは1973年のデシー実験）以前に発表された実験研究は数多くあります。最も注目すべきは、1969年のジャクソンとウェッツェル^{[ 21 ]}、および1973年のモレとカハネ^{[ 22 ]}です。これらの研究では、ゲッティンゲン実験と比較して高エネルギーのガンマ線が使用され、測定された断面積全体に対するデルブリュック散乱の寄与が大きくなっています。一般に、低エネルギー核物理領域、すなわち<10–20 MeVでは、デルブリュック実験は、電子からのレイリー散乱、点核からのトムソン散乱、巨大双極子共鳴による核励起など、競合するコヒーレント過程を多数測定します。よく知られているトムソン散乱を除いて、他の2つ（レイリーとGDR）にはかなりの不確実性があります。これらの効果がデルブリュック散乱に及ぼす影響は、決して「小さい」ものではありません（これもまた「古典的な原子核物理学のエネルギー領域において」の話です）。デルブリュック散乱が非常に強い前方散乱角においても、レイリー散乱との干渉は大きく、両方の効果の振幅は同程度の大きさです。^{[ 23 ]}