電子對產生

電子對產生是指在基本粒子的碰撞過程中，正負電子對可以由其他粒子轉化而產生出來。在低能時，能量大於兩倍電子靜質量能的光子與原子核碰撞可產生正負電子對。能量足夠高的帶電粒子的相互碰撞也可以產生正負電子對，但產生幾率要小些。

基本介紹

• 中文名：電子對生產
• 外文名：Electron pair generation
• 生產：正負電子對可以由其他粒子轉化
• 低能：量大於兩倍電子靜質量能的光子
• 矢量介子：ρ、ω、φ、J/ψ、Υ
• 學科：物理

概念

電子對產生的正負電子對通常是由其他粒子通過虛光子轉化而來。例如，正反粒子對可以湮沒成虛光子而轉化為正負電子對。強子與強子碰撞也會產生正負電子對，這個過程被理解為強子碰撞中正反夸克對湮沒為虛光子而轉化為正負電子對，一般稱它為德雷爾－顏過程。矢量介子（例如，ρ、ω、φ、J/ψ、Υ等）通過虛光子也可以轉化為正負電子對，這時正負電子對的不變質量（它等於，pμ是電子對的總四維動量，c是真空中光速）是確定的，它對應於矢量介子的靜止質量。正是通過測量正負電子對的不變質量，1974年在實驗中發現了含有粲夸克的J/ψ粒子。以上產生正負電子對的過程，就其本質來說，是電磁相互作用過程。但按電弱統一理論，正負電子對也可以由實的或虛的中性中間玻色子轉化而來，而這是一個弱相互作用過程。

核碰撞中直接電子對產生截面的計算

高能核一核碰撞是現階段粒子物理學和核物理學的一個重要前沿領域。這種碰撞既可因核作用引起射彈核或靶核碎裂，及產生大量簇射粒子；也可因電磁作用引起射彈核或(和)靶核碎裂，但不產生簇射粒子。由電磁作用引起的射彈核或(和)靶核碎裂稱為電磁離解圈。高能核一核電磁作用也可以不引起射彈核或(和)靶核碎裂，但可以產生直接電子對等光子過程的產物。

高能核一核電磁作用產生的直接電子對，在核乳膠中表現為，從一點射出的兩條相距很近的、顆粒很稀的徑跡，除此之外沒有其他產生粒子的徑跡。直接電子對在產生的同時，很有可能被已經成為裸核的射彈俘獲其中的e^-這種俘獲主要是K殼層俘獲，此外還有L、M等殼層俘獲。

高能核一核碰撞中產生的直接電子對，對研究工作帶來了一些新問題，甚至是一些難以克服的問題。由於射彈俘獲電子，使得束流亮度降低，雜質濃度提高，這對實驗是不利的。束流能量越高，俘獲越顯著，亮度降低越厲害。在極高能量下保持亮度不降低，可能會成為末來實驗的一個技術難題。

就核乳膠中的高能核一核碰撞來說，隨著射彈能量的不斷提高，必然會產生更多的直接電子對。這些直接電子對作為本底，將影響核反應事例的觀測。特別是對較重的射彈，高能台電子很多，本底的影響很大。射彈俘獲直接電子對中的e^-，自身攜帶的電荷數降低了，會影響射彈的純度。高能核一核碰撞中產生的直接電子對，又拓寬了人們的研究領域，增進了人們對微觀世界的了解。特別是高能核一核碰撞還可產生直接拌子對和：子對，射彈核俘獲其中的μ^-或τ^-，就會形成離子μ^-或τ^-離子，這為人們研究這些特殊離子的統計行為提供了可能。

超強場下的正負電子對產生

量子電動力學(Quantum Electrodynamics，QED)能精確地描述正負電子對產生、光子劈裂、光子—光子散射、量子輻射等一系列令人著迷的物理效應。其中超強場下正負電子對產生問題的研究，可以追溯到上世紀30年代Sauter以及 Heisenberg和 Euler等所做的開創性工作。特別是在1951年，施溫格成功地從理論上描述了在靜態均勻電場中的正負電子對的產生過程。他用固有時(proper-time)方法得到了自洽協變的恆定電場下的單圈有效拉格朗日量，並進一步給出了正負電子對的產生率，即著名的公式w∝exp(-E_cr/E) ，其中E是外加的常數電場，而 E_cr=m²/e是施溫格發現的臨界電場強度(採用自然單位ℏ=c=1)，它的物理意義是：在該電場強度下，電子在一個康普頓(Compton)波長內所做的功剛好等於其靜止能量，或者是該電場強度在康普頓波長的距離上所做的功提供了克服負能電子從狄拉克海(Dirac sea)中躍遷為正能電子所需的能量。顯然對正負電子對的產生而言，它給出的臨界場強大小是E_cr=1.3×10¹⁶V/cm，相應的雷射強度大約是2×10²⁹W/cm²。由於施溫格的系統性和創造性的理論研究，特別是該問題涉及到了非微擾論的特性，後來人們把超強場下真空失穩而產生正負電子對的現象稱為施溫格效應(Schwinger effect)，或施溫格機制(Schwinger mechanism)。隨著雷射技術的快速發展，超強超短雷射脈衝得以實現，這使得量子真空在強場下衰變為正負電子對的問題在近年來受到了廣泛關注。

藉助現代雷射技術產生超強場

1960年，在美國Hughes實驗室的科學家Maiman成功地研製出第一台雷射器，從此雷射就成了現代物理學研究中不可或缺的工具。從原子物理到核物理，從電漿物理到高能物理，雷射技術很大程度上促進了這些學科的發展。尤其是在啁啾脈衝放大技術(CPA)發明以後，雷射強度可以達到10¹⁴—10¹⁵W/cm²，雷射中的電場強度與原子中的庫侖場(Coulomb field)達到了同一個量級。當這樣的雷射與物質相互作用時，雷射電場可以輕易地改變原子中電子的運動。隨著雷射強度增大到10¹⁷—10¹⁸W/cm²，雷射與物質相互作用進入到相對論區域，雷射電場可以在一個周期內將電子加速到相對論速度。

雷射強度已經提高到10²¹W/cm²以上，這樣強度的雷射與物質相互作用時，QED效應已經開始起作用。很多實驗室都在製造下一代強度大於10²³W/cm²的雷射器，利用這種雷射與物質相互作用，QED效應將會起到非常重要的作用，甚至會引發QED雪崩。歐洲的極端光基礎設施(Extreme Light Infrastructure，簡稱ELI)計畫完成後，雷射的強度可達到10²⁴W/cm²，而每個雷射束的能量將能達到200J；英國中央雷射研究所(CLF)的高功率雷射能源研究(High Power laser Energy Research，HiPER)計畫設計的雷射強度可達到10²⁶W/cm²。圖1給出了雷射強度隨年代發展的示意圖以及不同雷射強度對應的離子特徵能量和物理相互作用領域。

由於讓電子獲得接近光速運動的雷射強度大約是10¹⁸W/cm²，所以電子在高達I=10²⁴W/cm²強度的雷射場中的運動將具有強的相對論性和強的非線性。另外，高強度的雷射脈衝與物質相互作用會自發產生強的自生磁場，反過來該強磁場又會影響到雷射和帶電粒子等，由此產生了雷射電漿相互作用物理中豐富多彩的非線性現象。而這些非線性的問題一旦與雷射和正負電子對有關的電漿相互作用聯繫起來就會呈現出新的物理現象，並具有重要的物理意義。

圖1 雷射強度發展的示意圖

正負電子對產生

研究正負電子對的產生問題的理論方法有很多。除了傳統和標準的QED外，還有比較簡單和實用的半經典近似法和量子動理學方法，前者有世界線瞬子(worldline instanton)和WKB近似等，後者包括QVE和Dirac Heisenberg—Wigner(DHW)形式等。這裡我們主要討論幾種常用的研究方法。

世界線瞬子方法的物理圖像如下：首先通過對時間的Wick轉動，即把時間坐標t換成虛時間it，把原來一個粒子(電子或正電子)在閔可夫斯基(Minkowski)空間中的勢壘隧穿問題轉變成了粒子在歐幾里得(Euclidean)空間的勢阱中的瞬子運動的問題，然後通過對瞬子的路徑積分就得到了有效作用量S_eff，而正負電子對的產生率w與有效作用量S_eff之間滿足指數化抑制的關係，即w∝ exp(-S_eff)。一個簡單的估計是，在常數場下，由於瞬子運動軌道是封閉的，這時作用量由兩項組成，由周長決定的質量為m的自由粒子的作用量S₁=mL和由面積決定的電場E作用下的帶電(電荷為-e)粒子的作用量S₂=-eEA。顯然 S₂是電磁勢在封閉的瞬子軌道上的路徑積分，它是通過運用數學上的Stokes定理把線積分化成面積分而得到的。因此總的作用量為 S=mL－eEA，其中的L和A是粒子在歐幾里得時空中封閉軌道的周長和面積。從對稱性考慮，在常數場下，瞬子運動的封閉軌道是一個半徑為R的圓，這時有效的作用量為 S_eff=2πmR－πeER²。對S_eff 取極值的條件是R_min=m/(eE)，代入到S_eff和w∝exp(-S_eff) 公式中，最後得到w∝exp(-πm²/eE) 。這正是施溫格得到的正負電子對產生率公式中占主導地位的第一項。

正負電子對產生的意義與展望

正負電子對的產生在科學研究和技術發展上都有非常重要的意義，比如反物質的研究，電子偶素的玻色—愛因斯坦凝聚，基本電漿物理以及正電子成像技術等。由於施溫格機制是非微擾和遠離平衡的非馬爾科夫過程，它的深入研究將會促進粒子物理學的發展，特別是對量子色動力學中費米粒子對的產生問題。另外，它對深
入理解原子分子與光學物理中的粒子產生、宇宙粒子的產生、霍金輻射和重離子碰撞等問題也有很大的幫助。儘管近些年來理論上和實驗上都取得了一些成果，但還遠沒有取得實質性的成功。在理論上，人們提出了各種模型來增強正負電子對的產生幾率，但是這些模型過於理想化，很難解析地解決有空間變化電場和外加磁場時正負電子對的產生問題。此外，高維的真實雷射場下正負電子對產生問題的數值計算需要花費很長的時間和很大的存儲空間，計算機技術很難勝任這一任務。因此，在理論上處理真實雷射場下正負電子產生問題仍然是一個極富挑戰性的課題。由於理論上給出的觀測施溫格機制所需的雷射強度仍然超過了實驗室所設計出的雷射強度，所以進一步提高雷射強度是實驗上需要解決的問題。總之，真空產生正負電子對的主要研究方向是：一方面，從理論尋找正負電子對產生的更低的閾值條件；另一方面，改善實驗條件，使雷射強度更接近正負電子對產生的閾值條件。

綜上所述，超強場下的正負電子對產生及其相關問題的研究對理論模型和實驗實現都提出了很多挑戰性和前瞻性的研究課題，研究正方興未艾，給相關的研究者提供了廣闊的舞台與機會。在可以預見的將來，該領域的研究必將取得一系列突破性的進展和豐碩的研究成果。