真空極化

量子場論裡,尤其是量子電動力學真空極化是一個在背景電磁場中產生電子-正子虛粒子對的過程。產生的虛粒子對會改變原本電荷和電流的分佈。有時這被視作規範玻色子(光子)的自身能量(self energy)。

A sphere with a minus sign at lower left symbolizes the electron, while pairs of spheres with plus and minus signs show the virtual particles
略圖顯示電子-正子虛偶的隨機性地出現於一個電子(左下方)的附近。

1997年,日本TRISTAN粒子加速器觀測到真空極化的現象。 [1]

理論解釋

根據量子場論,一個包含作用粒子的基態(或真空態)不單純只是個空無一物的空間, 它包含了存活時間很短虛正反粒子對,從真空中產生並迅即彼此湮滅以歸還能量。

部分正反粒子對帶有電荷,例如正負電子對。 這類的粒子對會形成電偶極矩。在電磁場的作用下粒子對會產生位移,並且反過來影響電磁場。 (部分的遮蔽效應或介電質效應) 因此場的作用會比原先預期的來得小。 而這個虛粒子對轉向的過程就是真空極化

正反費米子對的一圈圖對於真空極化的貢獻表示成下圖:

 

真空極化張量

真空極化在數學上量化成真空極化張量   來描述介電質效應,其中   是光子四動量   的函數。 因此,真空極化與傳遞的動量有關。 換句話說,電容率的大小與尺度是相關的。 以電磁作用而言,我們可將精細結構常數表示成一個動量相關的有效值。 在第一階修正,我們得到:

 

式子中   , 下標 表示一階- 修正。 由於沃德等式(Ward identity),張量   的組成被固定。

參閱

參考資料

  1. ^ Levine, I.; TOPAZ Collaboration. Measurement of the Electromagnetic Coupling at Large Momentum Transfer. Physical Review Letters. 1997, 78: 424–427. Bibcode:1997PhRvL..78..424L. doi:10.1103/PhysRevLett.78.424. 

延伸閱讀

  • For a derivation of the vacuum polarization in QED, see section 7.5 of M.E. Peskin and D.V. Schroeder, An Introduction to Quantum Field Theory, Addison-Wesley, 1995.