Compton 散射

                     

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   Consider the process e(p)γ(k)e(p)γ(k)

(1)iM=(ie)2εμ(k)εν(k)[u¯(p)γμi(p+k+m)(p+k)2m2γνu(p)+u¯(p)γνi(pk+m)(pk)2m2γμu(p)] .
this process is related to e+eγγBhabha 散射)by crossing symmetry, so we can simply do variable replacements: kp,pk . Since we change a e+ of 'in' state to e of 'out' state, we should make the above substitutions, as well as add a factor 1.
(2)|M|2=2e4[pkpk+pkpk+2m2(1pk1pk)+m4(1pk1pk)2] .
in the "lab" frame in which the electron is initially at rest: k=(ω,ωz^), p=(m,0), p=(E,p), k=(ω,ωsinθ,0,ωcosθ) . we will express the cross section in terms of ω,θ.
(3)m2=(p)2=(p+kk)2=p2+2p(kk)2kk=m2+2m(ωω)2ωω(1cosθ)1ω1ω=1m(1cosθ)ω=ω1+ωm(1cosθ) .
the phase space integral:
(4)dΠ2=d3k(2π)312ωd3p(2π)31(2E)(2π)4δ4(k+pkp)=(ω)2dωdΩ(2π)314ωE×2πδ(ω+m2+ω2+(ω)22ωωcosθωm)=dcosθ2πω4E1|1+ωωcosθE|=18πdcosθ(ω)2ωm .
Using dσ=12EA2EB|vAvB|dΠ2×|M|2 . we finally obtain the Klein-Nishina formula:
(5)dσdcosθ=12ω2m18π(ω)2ωm(|M|2)=πα2m2(ωω)2[ωω+ωωsin2θ],ω=ω1+ωm(1cosθ) .


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