Breit-Wheeler-Effekt

The two-photon (linear) Breit-Wheeler mechanism is the simplest process through which light can be converted into matter. It plays an important role in many astrophysical scenarios and is of interest to the HEP community for the potential to create a photo-photon collider. However, despite its simplicity only the multi-photon (non-linear) process has yet been measured definitively in the laboratory. The linear process remains elusive as the particle production threshold relies on the product of the two colliding photons being greater in energy than the square of the electron rest mass (>(0.511 MeV)²). This requires the interaction of two bright sources of gamma or X-rays housed at the same facility. In addition, competing non-vacuum processes producing electron-positron pairs, such as Bethe-Heitler, make measuring the linear Breit-Wheeler process in isolation even more challenging. For these reasons single particle detectors and the mitigation of background photons and secondary particles are crucial for observing the process. In an experiment performed at the Gemini laser in 2018 we collided ∼100 MeV gamma rays produced using a laser wakefield accelerator with a thermal bath of keV X-rays with the aim of detecting positrons from the linear Breit-Wheeler process. A magnetic chicane in combination with appropriate shielding was used to relay high energy particles from the interaction to a pair of TimePix3 detectors. We report on the success of the single particle detection system and an update on the on-going data analysis. Quelle:https://indico.cern.ch/event/928435/The LUXE Experiment.pdf

Breit-Wheeler-Effekt

The Breit–Wheeler process is the creation of an electron–positron pair following the collision of two high-energy photons (gamma photons).

The nonlinear Breit–Wheeler process or multiphoton Breit–Wheeler is the creation of an electron-positron pair from the decay of a high-energy photon (gamma photon) interacting with a strong electromagnetic field such as a laser.

Der Breit-Wheeler-Effekt ist die Erzeugung von Materie und Antimaterie aus Licht ohne Notwendigkeit eines massiven Stoßpartners. Er ist somit eine Variante der Paarerzeugung und der Umkehrprozess der Annihilation. Für das leichteste geladene Elementarteilchen, das Elektron, wurde der Prozess der Erzeugung eines Elektron-Positron-Paares durch Photonenkollision von Gregory Breit und John A. Wheeler 1934 in der Physical Review beschrieben. Die Reaktionsgleichung lautet also

$2\gamma \to {\mathrm{e}}^{+}{\mathrm{e}}^{-}$.

Für andere geladene elementare Fermion-Antifermion-Paare ist der Prozess analog, die Reaktionswahrscheinlichkeit aber aufgrund der höheren Masse geringer.

Aufgrund der Impulserhaltung kann es keinen Prozess geben, in dem nur ein einzelnes Photon ohne Stoßpartner, der Impuls aufnehmen könnte, in ein Teilchen-Antiteilchen-Paar umgewandelt wird.

Wirkungsquerschnitt

Für den Breit-Wheeler-Effekt sind Photonen mit einer Energie notwendig, die mindestens der Ruheenergie des Elektrons $m{c}^2\approx 511\mathrm{k}\mathrm{e}\mathrm{V}$ entspricht. Die Frequenz $\nu$ solcher Photonen beträgt mindestens 1.3e²⁰ Hz und liegt somit im Bereich von Gammastrahlung.

Der totale Wirkungsquerschnitt $\sigma$ für unpolarisierte Photonen beträgt im Schwerpunktsystem, das heißt, wenn beide Photonen dieselbe Frequenz haben,

$\sigma =\frac{1}{2}{r}_0^2\pi (1-{\beta }^2)[(3-{\beta }^4)\ln \frac{1+\beta }{1-\beta }-2\beta (2-{\beta }^2)]$,

wobei $r_0$ der klassische Elektronenradius ist und

$\beta =\frac{v_{\mathrm{e}}}{c}=\sqrt{1-{\left(\frac{m_{\mathrm{e}}{c}^2}{h\nu }\right)}^2}$

sich aus der Ruheenergie des Elektrons und der Energie $h\nu$ des Photons berechnet. $v_{\mathrm{e}}$ ist dabei die Geschwindigkeit des entstehenden Elektrons bzw. Positrons im Schwerpunktsystem.

Der Wirkungsquerschnitt hat ein Maximum bei $\beta \approx \mathrm{0,7}$. Im niederenergetischen Limes ($\beta \ll 1$), wenn die Photonenergie nur knapp über der Ruheenergie des Elektrons liegt, vereinfacht sich der Wirkungsquerschnitt zu

$\sigma =r_0^2\pi \beta$.

Für die Erzeugung anderer geladener Fermion-Antifermion-Paare gilt dieselbe Formel; nur die Elektronenmasse und der klassische Elektronenradius müssen entsprechend ersetzt werden.

Der Wirkungsquerschnitt ist damit nicht deutlich kleiner als der anderer Prozesse in der Elementarteilchenphysik. Die Schwierigkeit bei der Erzeugung des Breit-Wheeler-Effekts ist, dass die technisch erzeugbare Brillanz von Photonenstrahlen weitaus kleiner ist als die Luminosität in Teilchenbeschleunigern, das heißt, dass die Dichte der Teilchen, die reagieren könnten, viel geringer ist.

Auftreten

Der Effekt liegt dem Auftreten von Paarinstabilitäts-Supernovae zugrunde.

Der direkte Nachweis gelang im Jahr 2021 am RHIC-Beschleuniger. Allerdings wird kontrovers diskutiert, inwieweit die beteiligten Photonen als „reell“ bezeichnet werden können.

Siehe auch

• Halpern-Streuung