БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ЭЛ)

Основной вычислительный метод квантовой электродинамики — теория возмущений: благодаря слабости Э. в. матрицу рассеяния процессов с участием электромагнитного поля можно разложить в ряд по степеням малого параметра a и при вычислениях ограничиться рассмотрением небольшого числа первых членов этого ряда (обычно не более четырёх).

В диаграммной технике теории возмущений (см. Фейнмана диаграммы ) простейший процесс квантовой электродинамики — взаимодействие фотона с бесструктурной (точечной) заряженной частицей входит как составной элемент в любой электродинамический процесс. Из-за малости a процессы с участием большого числа таких взаимодействий менее вероятны. Однако они доступны наблюдению и проявляются в т. н. радиационных поправках, в эффектах поляризации электрон-позитронного вакуума, в многофотонных процессах. В частности, поляризация вакуума приводит к рассеянию света на свете ( рис. 1 , а) — эффекту, который отсутствует в классической электродинамике; этот эффект наблюдается при рассеянии фотонов на кулоновском поле тяжёлого ядра ( рис. 1 , б) .

В характере Э. в. для электронов (позитронов) и для мюонов не обнаружено отличия несмотря на значит, разницу в их массах; это легло в основу т. н. m-е-универсальности, пока не получившей теоретического объяснения.

Э. в. адронов и атомных ядер.В электромагнитных процессах с участием адронов (фоторождении мезонов, рассеянии электронов и мюонов на протонах и ядрах, аннигиляции пары е +е -в адроны и др.) один из объектов взаимодействия — электромагнитное поле — хорошо изучен. Это делает Э. в. исключительно эффективным инструментом исследования строения адронов и природы сильных взаимодействий.

Сильные взаимодействия, как уже упоминалось, играют важную роль в электромагнитных процессах с участием адронов. Так, резонансные состояния адронов ( резонансы ) могут возбуждаться фотонами и ярко проявляются, например, в полных сечениях поглощения фотонов протонами с образованием адронов ( рис. 2 ). Электромагнитные свойства и электромагнитная структура адронов (магнитные моменты, поляризуемости, распределения зарядов и токов) обусловлены «облаком» виртуальных частиц (преимущественно p-мезонов), испускаемых адронами. Например, среднеквадратичный радиус распределения заряда в протоне определяется размерами этого «облака» и составляет ~0,8×10 -13 см (см. Формфактор ) . Вместе со слабыми взаимодействиями Э. в. ответственны за различие масс заряженных и нейтральных частиц в изотопических мультиплетах (например, n и р, p 0и p ±). Короткодействующий характер сильных взаимодействий определяет при энергиях ( R — размер адронной системы) участие в реакциях лишь низших мультипольных моментов фотона и, как следствие этого, плавную зависимость дифференциальных сечений от углов. При высоких энергиях ( Е>2 Гэв ) угловые и энергетические зависимости характеристик (сечений, поляризаций и др.) процессов Э. в. адронов и чисто адронных процессов схожи [на рис. 2 s (g p) при Е>2 Гэв слабо зависит от энергии, что характерно для полных сечений взаимодействия адронов].

Это сходство легло в основу модели векторной доминантности, согласно которой фотон взаимодействует с адронами, предварительно перейдя в адронное состояние — векторные мезоны r 0, w, j и др. Возможность такого перехода ярко иллюстрируется резонансной зависимостью от энергии сечения процесса е ++ е -® К ++ К -, обусловленной превращением виртуального фотона промежуточного состояния в векторный j-мезон и его последующим распадом на пару К- мезонов ( рис. 3 , б) . Виртуальный фотон характеризуется отличным от 0 значением квадрата 4-мерного импульса q 2 = E 2 /c 2 — p 2¹ 0, где Е, р — энергия и трёхмерный импульс фотона (для реального фотона q 2 = 0). Например, для виртуального фотона, которым обмениваются электрон и протон при рассеянии, q 2 = —(4 EE '/ c 2) sin 2(J/2), где Е, E' — энергии электрона до и после рассеяния (для случая Е, E' >> mc2 ) , J — угол рассеяния в лабораторной системе отсчёта. Эксперимент показал удовлетворит. применимость модели векторной доминантности для описания электромагнитных явлений с участием реальных фотонов и виртуальных фотонов с |q 2|< 2 ( Гэв/с ) 2 . В частности, в сечении аннигиляции е ++ е -® m ++ m -при энергии в системе центра масс 1019,5 Мэв наблюдаются отклонения от предсказаний квантовой электродинамики, которые вытекают из данной модели (обусловлены образованием К-мезона в промежуточном состоянии; см. рис. 3, а). (Согласно квантовой электродинамике, этот процесс происходит посредством превращения пары е +е -в виртуальный фотон g, а g — в пару m +m -.

Однако модель векторной доминантности не описывает Э. в. адронов при больших | q 2| [ |q 2 | > 2 ( Гэв/с 2] . Так, измеренное сечение упругого рассеяния электронов на протонах, которое зависит от пространственного распределения электрических зарядов и токов внутри нуклона, спадает с ростом |q 2 | значительно быстрее, чем предсказывается моделью. Напротив, сечение глубоко неупругого рассеяния электронов (процесса е -+ р ® е -+ адроны при больших передачах энергии и импульса адронной системе) падает медленнее; при этом с увеличением полной энергии W адронов в конечном состоянии характер рассеяния приближается к характеру рассеяния на точечной частице. Последнее обстоятельство привело к формулировке т. н. партонной модели адронов; согласно этой модели адроны состоят из частей (партонов), которые при взаимодействии с фотонами проявляют себя как бесструктурные точечные частицы. Отождествление партонов с кварками оказалось плодотворным для понимания глубоко неупругого рассеяния.

Несмотря на то, что Э. в. — наиболее полно изученный тип фундаментального взаимодействия, его продолжают интенсивно исследовать во многих научных центрах. Это обусловлено как исключительным многообразием микроскопических и макроскопических проявлений Э. в., имеющих прикладное значение, так и уникальной ролью электромагнитного поля (как хорошо изученного объекта) в исследовании строения вещества на предельно малых расстояниях, в получении сведений о других типах взаимодействий, в выявлении новых законов и принципов симметрии в природе. Эти фундаментальные исследования ведутся с использованием прецизионных методов атомной и ядерной спектроскопии, с помощью полученных на ускорителях интенсивных пучков фотонов, электронов, мюонов высокой энергии, в космических лучах.