Физики придумали способ измерить рассеяние на квантовом вакууме

Группа японских ученых предложила использовать поляризованные гамма-лучи для измерения рассеяния гамма-квантов на виртуальных частицах, составляющих квантовый вакуум. Подобный эксперимент может стать первым, где в явном виде будет продемонстрирован предсказанный квантовой электродинамикой вакуумный вклад в рассеяние частиц. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Согласно квантовой теории, вакуум — это не абсолютно пустое пространство, он заполнен квантовыми флуктуациями, которые можно представить как появляющиеся и исчезающие пары частиц и антчастиц. Несмотря на то, что они являются виртуальными, эти частицы являются причиной наблюдаемых квантовых явлений, таких как эффект Казимира. Джеймс Кога и Такехито Хаякава из японского Национального института квантовой и радиологической науки и техники подробно описали способ беспрецедентно точного измерения труднодоступного эффекта квантового вакуума, известного как рассеяние Дельбрюка. Такой подход может позволить провести чувствительные тесты теории квантовой электродинамики.

Дельбрюковское рассеяние имеет аналогию с более известной формой рассеяния, ответственной за цвет неба — рэлеевским рассеянием. Это рассеяние возникает из-за взаимодействия фотонов со связанными электрическими зарядами в рассеивающих частицах. Дельбрюковское рассеяние вместо этого порождается взаимодействием фотонов с виртуальными электрон-позитронными парами в присутствии кулоновского поля атомного ядра. Этот эффект впервые обнаружили в 1970-х годах, однако его до сих пор трудно изучать, так как он возникает в сочетании с четырьмя другими типами рассеяния, включая рэлеевское.

Кога и Хаякава предлагают метод выделения и измерения рассеяния Дельбрюка. Ключевым моментом в их решении является использование поляризованных гамма-лучей. Согласно их расчетам, правильный выбор угла рассеяния, поляризации и энергии фотонов сделает рассеяние Дельбрюка на два порядка сильнее, чем другие три вида. Ученые предполагают использовать олово в качестве рассеивающего материала и источника гамма-излучения с высоким потоком, такого как ELI-NP (Extreme Light Infrastructure — Nuclear Physics) — строящегося объекта в Румынии. Они полагают, что, используя собранные за 76 дней данные, этот метод может удвоить точность, достигнутую в предыдущих экспериментах.