[科普中国]-电子对产生

电子对产生是指在基本粒子的碰撞过程中，正负电子对可以由其他粒子转化而产生出来。在低能时，能量大于两倍电子静质量能的光子与原子核碰撞可产生正负电子对。能量足够高的带电粒子的相互碰撞也可以产生正负电子对，但产生几率要小些。

概念电子对产生的正负电子对通常是由其他粒子通过虚光子转化而来。例如，正反粒子对可以湮没成虚光子而转化为正负电子对。强子与强子碰撞也会产生正负电子对，这个过程被理解为强子碰撞中正反夸克对湮没为虚光子而转化为正负电子对，一般称它为德雷尔－颜过程。矢量介子（例如，ρ、ω、φ、J/ψ、Υ等）通过虚光子也可以转化为正负电子对，这时正负电子对的不变质量（它等于，pμ是电子对的总四维动量，c是真空中光速）是确定的，它对应于矢量介子的静止质量。正是通过测量正负电子对的不变质量，1974年在实验中发现了含有粲夸克的J/ψ粒子。以上产生正负电子对的过程，就其本质来说，是电磁相互作用过程。但按电弱统一理论，正负电子对也可以由实的或虚的中性中间玻色子转化而来，而这是一个弱相互作用过程。

核碰撞中直接电子对产生截面的计算高能核一核碰撞是现阶段粒子物理学和核物理学的一个重要前沿领域。这种碰撞既可因核作用引起射弹核或靶核碎裂，及产生大量簇射粒子；也可因电磁作用引起射弹核或(和)靶核碎裂，但不产生簇射粒子。由电磁作用引起的射弹核或(和)靶核碎裂称为电磁离解圈。高能核一核电磁作用也可以不引起射弹核或(和)靶核碎裂，但可以产生直接电子对等光子过程的产物。

高能核一核电磁作用产生的直接电子对，在核乳胶中表现为，从一点射出的两条相距很近的、颗粒很稀的径迹，除此之外没有其他产生粒子的径迹。直接电子对在产生的同时，很有可能被已经成为裸核的射弹俘获其中的e-这种俘获主要是K壳层俘获，此外还有L、M等壳层俘获。

高能核一核碰撞中产生的直接电子对，对研究工作带来了一些新问题，甚至是一些难以克服的问题。由于射弹俘获电子，使得束流亮度降低，杂质浓度提高，这对实验是不利的。束流能量越高，俘获越显著，亮度降低越厉害。在极高能量下保持亮度不降低，可能会成为末来实验的一个技术难题。

就核乳胶中的高能核一核碰撞来说，随着射弹能量的不断提高，必然会产生更多的直接电子对。这些直接电子对作为本底，将影响核反应事例的观测。特别是对较重的射弹，高能台电子很多，本底的影响很大。射弹俘获直接电子对中的e-，自身携带的电荷数降低了，会影响射弹的纯度。高能核一核碰撞中产生的直接电子对，又拓宽了人们的研究领域，增进了人们对微观世界的了解。特别是高能核一核碰撞还可产生直接拌子对和：子对，射弹核俘获其中的μ-或τ-，就会形成离子μ-或τ-离子，这为人们研究这些特殊离子的统计行为提供了可能。1

超强场下的正负电子对产生量子电动力学(Quantum Electrodynamics，QED)能精确地描述正负电子对产生、光子劈裂、光子—光子散射、量子辐射等一系列令人着迷的物理效应。其中超强场下正负电子对产生问题的研究，可以追溯到上世纪30年代Sauter以及 Heisenberg和 Euler等所做的开创性工作。特别是在1951年，施温格成功地从理论上描述了在静态均匀电场中的正负电子对的产生过程。他用固有时(proper-time)方法得到了自洽协变的恒定电场下的单圈有效拉格朗日量，并进一步给出了正负电子对的产生率，即著名的公式w∝exp(-Ecr/E) ，其中E是外加的常数电场，而 Ecr=m2/e是施温格发现的临界电场强度(采用自然单位ℏ=c=1)，它的物理意义是：在该电场强度下，电子在一个康普顿(Compton)波长内所做的功刚好等于其静止能量，或者是该电场强度在康普顿波长的距离上所做的功提供了克服负能电子从狄拉克海(Dirac sea)中跃迁为正能电子所需的能量。显然对正负电子对的产生而言，它给出的临界场强大小是Ecr=1.3×1016V/cm，相应的激光强度大约是2×1029W/cm2。由于施温格的系统性和创造性的理论研究，特别是该问题涉及到了非微扰论的特性，后来人们把超强场下真空失稳而产生正负电子对的现象称为施温格效应(Schwinger effect)，或施温格机制(Schwinger mechanism)。随着激光技术的快速发展，超强超短激光脉冲得以实现，这使得量子真空在强场下衰变为正负电子对的问题在近年来受到了广泛关注。

借助现代激光技术产生超强场1960年，在美国Hughes实验室的科学家Maiman成功地研制出第一台激光器，从此激光就成了现代物理学研究中不可或缺的工具。从原子物理到核物理，从等离子体物理到高能物理，激光技术很大程度上促进了这些学科的发展。尤其是在啁啾脉冲放大技术(CPA)发明以后，激光强度可以达到1014—1015W/cm2，激光中的电场强度与原子中的库仑场(Coulomb field)达到了同一个量级。当这样的激光与物质相互作用时，激光电场可以轻易地改变原子中电子的运动。随着激光强度增大到1017—1018W/cm2，激光与物质相互作用进入到相对论区域，激光电场可以在一个周期内将电子加速到相对论速度。

激光强度已经提高到1021W/cm2以上，这样强度的激光与物质相互作用时，QED效应已经开始起作用。很多实验室都在制造下一代强度大于1023W/cm2的激光器，利用这种激光与物质相互作用，QED效应将会起到非常重要的作用，甚至会引发QED雪崩。欧洲的极端光基础设施(Extreme Light Infrastructure，简称ELI)计划完成后，激光的强度可达到1024W/cm2，而每个激光束的能量将能达到200J；英国中央激光研究所(CLF)的高功率激光能源研究(High Power laser Energy Research，HiPER)计划设计的激光强度可达到1026W/cm2。图1给出了激光强度随年代发展的示意图以及不同激光强度对应的离子特征能量和物理相互作用领域。

由于让电子获得接近光速运动的激光强度大约是1018W/cm2，所以电子在高达I=1024W/cm2强度的激光场中的运动将具有强的相对论性和强的非线性。另外，高强度的激光脉冲与物质相互作用会自发产生强的自生磁场，反过来该强磁场又会影响到激光和带电粒子等，由此产生了激光等离子体相互作用物理中丰富多彩的非线性现象。而这些非线性的问题一旦与激光和正负电子对有关的等离子体相互作用联系起来就会呈现出新的物理现象，并具有重要的物理意义。

正负电子对产生研究正负电子对的产生问题的理论方法有很多。除了传统和标准的QED外，还有比较简单和实用的半经典近似法和量子动理学方法，前者有世界线瞬子(worldline instanton)和WKB近似等，后者包括QVE和Dirac Heisenberg—Wigner(DHW)形式等。这里我们主要讨论几种常用的研究方法。

世界线瞬子方法的物理图像如下：首先通过对时间的Wick转动，即把时间坐标t换成虚时间it，把原来一个粒子(电子或正电子)在闵可夫斯基(Minkowski)空间中的势垒隧穿问题转变成了粒子在欧几里得(Euclidean)空间的势阱中的瞬子运动的问题，然后通过对瞬子的路径积分就得到了有效作用量Seff，而正负电子对的产生率w与有效作用量Seff之间满足指数化抑制的关系，即w∝ exp(-Seff)。一个简单的估计是，在常数场下，由于瞬子运动轨道是封闭的，这时作用量由两项组成，由周长决定的质量为m的自由粒子的作用量S1=mL和由面积决定的电场E作用下的带电(电荷为-e)粒子的作用量S2=-eEA。显然 S2是电磁势在封闭的瞬子轨道上的路径积分，它是通过运用数学上的Stokes定理把线积分化成面积分而得到的。因此总的作用量为 S=mL－eEA，其中的L和A是粒子在欧几里得时空中封闭轨道的周长和面积。从对称性考虑，在常数场下，瞬子运动的封闭轨道是一个半径为R的圆，这时有效的作用量为 Seff=2πmR－πeER2。对Seff 取极值的条件是Rmin=m/(eE)，代入到Seff和w∝exp(-Seff) 公式中，最后得到w∝exp(-πm2/eE) 。这正是施温格得到的正负电子对产生率公式中占主导地位的第一项。

正负电子对产生的意义与展望正负电子对的产生在科学研究和技术发展上都有非常重要的意义，比如反物质的研究，电子偶素的玻色—爱因斯坦凝聚，基本等离子体物理以及正电子成像技术等。由于施温格机制是非微扰和远离平衡的非马尔科夫过程，它的深入研究将会促进粒子物理学的发展，特别是对量子色动力学中费米粒子对的产生问题。另外，它对深
入理解原子分子与光学物理中的粒子产生、宇宙粒子的产生、霍金辐射和重离子碰撞等问题也有很大的帮助。尽管近些年来理论上和实验上都取得了一些成果，但还远没有取得实质性的成功。在理论上，人们提出了各种模型来增强正负电子对的产生几率，但是这些模型过于理想化，很难解析地解决有空间变化电场和外加磁场时正负电子对的产生问题。此外，高维的真实激光场下正负电子对产生问题的数值计算需要花费很长的时间和很大的存储空间，计算机技术很难胜任这一任务。因此，在理论上处理真实激光场下正负电子产生问题仍然是一个极富挑战性的课题。由于理论上给出的观测施温格机制所需的激光强度仍然超过了实验室所设计出的激光强度，所以进一步提高激光强度是实验上需要解决的问题。总之，真空产生正负电子对的主要研究方向是：一方面，从理论寻找正负电子对产生的更低的阈值条件；另一方面，改善实验条件，使激光强度更接近正负电子对产生的阈值条件。

综上所述，超强场下的正负电子对产生及其相关问题的研究对理论模型和实验实现都提出了很多挑战性和前瞻性的研究课题，研究正方兴未艾，给相关的研究者提供了广阔的舞台与机会。在可以预见的将来，该领域的研究必将取得一系列突破性的进展和丰硕的研究成果。2

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所