电磁场中光子与弱耦合粒子的转化微分截面

论文摘要

在电磁场中的弱耦合粒子(引力子和轴子)的探测,物理学家大都采用磁场(虚光子)与弱耦合粒子之间的相互作用产生扰动光子流。在实验上,采用扰动光子流与背景光子流之间的不同物理性质,进而分离出扰动光子流,就可以知道弱耦合粒子存在的根据。但是摆在实验物理学家面前的是由于其很弱的相互作用截面,以目前的技术水平较为理想地被探测到还不够成熟。因此,物理学家和实验物理学家不断设计出更高精确度的实验方法,使得在将来探测弱耦合粒子成为可能。本文简单介绍弱耦合粒子的探测方法,以及从量子场论的角度来研究弱耦合粒子在外磁场中的转化微分截面。引力子的经典形式即广义相对论预期的引力波是目前一个比较热门的课题,它的探测不仅可以为人类揭示自然界和探索宇宙空间打开一个全新的窗口,而且在四种基本相互作用力(强作用力,弱作用力,电磁作用和引力作用)的最终统一,包括引力场自身量子化的困难的解决起到巨大的推动作用,由于在实验上涉及到极弱信号分析、激光物理、强磁场技术、真空技术等。高频引力波探测还涉及到微波技术、超导、低温技术等,因此可以预测引力波的探测成功将促进相关基础研究和应用研究的发展,包括它们在空间技术、电子、国防军事等方面的延伸和应用。轴子作为暗物质的最好候选者,因此,轴子的成功探测将会直接证明暗物质的一些性质。在文中画出轴子产生的费曼图,介绍实验上利用激光探测原理,进而计算了轴子与光子相互作用的转化几率,从扰动光子流中获得关于轴子的存在信息。最后,我们运用费曼微扰方法分别计算了在磁偶极场、电偶极场和均匀静电场及静磁场中光子转化成轴子或光子转化为引力子的非极化微分截面。我们发现:在电偶极场中,沿光子传播方向及其反方向上的非极化微分截面为零;而在磁偶极场中,在上述方向上通常则具有非零的微分截面,但当光子传播方向平行于磁场偶极矩矢量时,该微分截面为零。在均匀的静磁场和均匀静电场中,只有在光子传播方向及其反方向上具有非零的微分截面,但后者小于前者。在轴子质量趋于零的极限条件下,上述过程和光子转化为引力子的过程表现出某些非常类似的性质。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 弱耦合粒子的预言
• 1.1 引力场的预言
• 1.1.1 引力场方程的提出
• 1.1.2 弱场近似（线性引力）和引力波
• 1.1.3 可能的引力波源
• 1.1.4 量子引力理论
• 1.2 轴子场的预言
• 1.2.1 轴子理论的提出与探测
• 1.2.2 轴子理论的进展
• 2 弱耦合粒子的实验探测原理
• 2.1 引力波的实验探测
• 2.1.1 引力波探测的背景
• 2.1.2 目前引力波探测的现状和发展趋势
• 2.1.3 探测引力波的重要意义
• 2.1.4 高斯束引力波探测方案
• 2.2 轴子的实验探测
• 2.2.1 轴子的产生过程
• 2.2.2 光子在磁场中传播
• 3 引力波在电磁场中的转化微分截面
• 3.1 引言
• 3.2 弯曲时空中标量粒子与电磁场的耦合
• 3.2.1 康普顿散射
• 3.2.2 非极化微分截面的计算
• 3.3 引力波在磁偶极场中的转化截面
• 3.4 引力波在静磁场或静电场中的转化
• 4 轴子在电磁场中的转化微分截面
• 4.1 引言
• 4.2 在磁偶极场中的转化微分截面
• 4.3 在电偶极场中的转化微分截面
• 4.4 在均匀的静磁场和均匀的静电场中的转化微分截面
• 4.5 总结
• 5 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录