高能質子 質子碰撞會產生光子,那高中教科書上描述這一過程的動量守恒等式中為何沒有光子的動量參與運算?

時間 2021-05-06 00:13:44

1樓:

補充一下 @盧健龍 的答案。

數費曼圖的頂點確實是正確的思路。但進一步計算會發現,輻射額外光子的圖的貢獻非常非常大。甚至可以是無窮大。可以說,帶電粒子的碰撞幾乎不可能不輻射光子。

但仔細分析光子的輻射譜可知,大部分的情況輻射的光子能量都非常低,或者光子的出射方向都非常靠近某個末態粒子。前者稱為紅外發散,後者稱為共線發散。

對於前者,由於輻射的光子能量太低,對於整體的能量動量守恆影響不大,因此雖然概率很高,問題不大。

對於後者,粒子和輻射的光子可以看作乙個整體滿足能動量守恆定律,因為粒子和光子出射方向太靠近了,一般的儀器無法分辨。

所以,嚴格來說應該說的是:系統輻射能量夠大而且與出射粒子方向分離較大的光子的概率比較小,被多餘的頂角壓低了。所以一般不考慮輻射光子的情況。

至於紅外發散和共線發散,一般讓它們與圈圖中的相應發散抵消,得出有限的結果。這看起來有點奇怪:紅外發散和共線發散的光子再看不到也是實光子,怎麼能與圈圖中的虛光子的貢獻抵消掉呢?

乙個帶電粒子,從來都不停釋放與吸收虛光子。當它受到某種擾動時,這種虛光子就有可能公升格成實光子。所以虛實光子之間也沒有什麼不可逾越的銅牆鐵壁。

這樣的帶電粒子可以看成是「裸」粒子帶了一層虛實相間的光子織成的外套。

對於紅外光子,不過是這個外套掉了幾根毛。

對於共線光子,其實這個外套還穿著,只不過有時我們的儀器如果足夠精確,會把裸粒子和它的外套分別探測出來。

所以嚴格的說法是,兩個穿了一堆光子外套的質子相撞,仍然是兩個光子外套的質子出射,質子加上光子外套整體滿足能動量守恆,但外套上很可能掉下來一些無足輕重毛毛,概率雖大但對整體結果影響不大。硬要糾結起來,那也是用圈圖的發散部分抵消,或者乾脆重求和。

2樓:盧健龍

忽略光子這個操作確實是侷限於高中知識水平的近似。

要比較完整地描述高能質子-質子碰撞過程需要用到量子場論。

事實上Peskin和Schroeder在《An Introduction to Quantum Field Theory》第一章中就已經提及到與這個問題相關的內容了。不過他們的例子是正負電子相互作用產生正負 子的過程,即 。在這個過程中,除了貢獻正比於 的最簡單樹圖以外,對於更高階的貢獻我們必須將涉及額外光子的費曼圖也考慮進來(如圖):

由於頂點的增加,這些涉及額外光子的情況對整個過程的貢獻顯然遠遠小於最簡單的不包含額外光子的樹圖,因此在不要求那麼高精度的情況下忽略光子的作用是合理的。

3樓:

應該是把光子動量忽略了,因為碰撞過程中一定會有光子釋放。

顯然那個公式描述的是不產生光子的過程。質子碰撞之後的反應種類很多,那個守恆式子我猜應該就寫了最簡單的一種過程。不知道題主原先課本如何寫的。

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