Двухфотонная физика

Двухфотонная физика , также называемая гамма-гамма-физикой , — это раздел физики элементарных частиц , который описывает взаимодействия между двумя фотонами . Обычно лучи света беспрепятственно проходят друг через друга. Внутри оптического материала, если интенсивность лучей достаточно высока, лучи могут влиять друг на друга посредством различных нелинейных эффектов. В чистом вакууме также существует некоторое слабое рассеяние света светом. центра масс Кроме того, выше некоторого порога энергии системы двух фотонов материя может быть создана .

Астрономия [ править ]

Космологические/межгалактические гамма-лучи [ править ]

Фотон-фотонные взаимодействия ограничивают спектр наблюдаемых фотонов гамма-излучения на умеренных космологических расстояниях до энергии фотонов ниже примерно 20 ГэВ , то есть до длины волны более примерно 6,2 × 10. ⁻¹¹ м . Этот предел достигает примерно 20 ТэВ только на межгалактических расстояниях. ^[1] Аналогией может служить свет, распространяющийся сквозь туман: на близких расстояниях источник света виден более четко, чем на больших расстояниях, из-за рассеяния света частицами тумана. Аналогичным образом, чем дальше гамма-лучи проходят через Вселенную, тем больше вероятность того, что они будут рассеяны в результате взаимодействия с фотоном низкой энергии из внегалактического фонового света .

При этих энергиях и расстояниях гамма-фотоны очень высоких энергий имеют значительную вероятность фотон-фотонного взаимодействия с фоновым фотоном низкой энергии из внегалактического фонового света, что приводит либо к созданию пар частица-античастица посредством прямого образования пар , либо ( реже) в результате фотон-фотонного рассеяния, которое снижает энергию падающих фотонов. Это делает Вселенную фактически непрозрачной для фотонов очень высоких энергий на межгалактических и космологических расстояниях.

Эксперименты [ править ]

Двухфотонную физику можно изучать с помощью ускорителей частиц высоких энергий , где ускоренными частицами являются не сами фотоны, а заряженные частицы, которые будут излучать фотоны. Наиболее значимые исследования до сих пор были выполнены на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) в ЦЕРНе . Если поперечная импульса передача и, следовательно, отклонение велики, можно обнаружить один или оба электрона; это называется маркировкой. Другие частицы, образующиеся при взаимодействии, отслеживаются большими детекторами, чтобы восстановить физику взаимодействия.

Часто фотон-фотонные взаимодействия будут изучаться посредством ультрапериферийных столкновений (UPC). ^[2] тяжелых ионов, таких как золото или свинец. Это столкновения, при которых сталкивающиеся ядра не касаются друг друга; т. е. прицельный параметр $b$ больше суммы радиусов ядер. Таким образом, сильное взаимодействие между кварками, составляющими ядра, сильно подавляется, что делает более слабые электромагнитные взаимодействия $\gamma \gamma$ взаимодействие гораздо более заметно. В UPC, поскольку ионы сильно заряжены, между одной ионной парой могут происходить два независимых взаимодействия, например образование двух электрон-позитронных пар. UPC изучаются с помощью программы моделирования STARlight .

Рассеяние света за светом, как предсказано в ^[3] можно изучать с помощью сильных электромагнитных полей адронов, столкнувшихся на БАКе, ^[4]^[5] впервые он был замечен в 2016 году коллаборацией . ATLAS ^[6]^[7] и затем был подтвержден коллаборацией CMS ., ^[8] в том числе при высоких двухфотонных энергиях. ^[9] Лучшее предыдущее ограничение на поперечное сечение упругого фотон-фотонного рассеяния было установлено PVLAS , который сообщил о верхнем пределе, намного превышающем уровень, предсказанный Стандартной моделью . ^[10] Наблюдение сечения, большего, чем предсказано Стандартной моделью, может означать новую физику, такую как аксионы , поиск которых является основной целью PVLAS и нескольких подобных экспериментов.

Процессы [ править ]

Из квантовой электродинамики можно обнаружить, что фотоны не могут напрямую связываться друг с другом и с фермионным полем согласно теореме Ландау-Янга. ^[11] поскольку они не несут заряда и не существует вершины из 2 фермионов + 2 бозонов из-за требований перенормируемости, но они могут взаимодействовать посредством процессов более высокого порядка или соединяться непосредственно друг с другом в вершине с дополнительными двумя W-бозонами:фотон может, в пределах принципа неопределенности, превратиться в виртуальную заряженную пару фермион -антифермион, с любой из которых может связаться другой фотон. Эта фермионная пара может быть лептонами или кварками. Таким образом, эксперименты по двухфотонной физике можно использовать как способ изучения структуры фотона или, несколько метафорически, того, что находится «внутри» фотона.

Фотон флуктуирует в пару фермион-антифермион.

Существует три процесса взаимодействия:

Прямой или точечный : фотон соединяется непосредственно с кварком внутри целевого фотона. ^[12] Если лептон создается пара кварк -антилептон, в этом процессе участвует только квантовая электродинамика (КЭД), но если создается пара -антилептон, он включает как КЭД, так и пертурбативную квантовую хромодинамику (КХД). ^[13]^[14]^[15]

Собственное кварковое содержание фотона описывается структурной функцией фотона , экспериментально проанализированной в глубоконеупругом электрон-фотонном рассеянии. ^[16]^[17]

Одно решенное : пара кварков целевого фотона образует векторный мезон . Зондирующий фотон связывается с компонентом этого мезона.
Двойное решение : как целевой, так и пробный фотон образовали векторный мезон. Это приводит к взаимодействию двух адронов.

Для последних двух случаев масштаб взаимодействия таков, что константа сильной связи велика. Это называется доминированием векторных мезонов (VMD) и должно моделироваться в непертурбативной КХД.

См. также [ править ]

Каналирующее излучение рассматривается как метод генерации поляризованных пучков фотонов высокой энергии для гамма-гамма-коллайдеров.
Создание материи
Парное производство
Рассеяние Дельбрюка
Процесс Брейта – Уиллера

Ссылки [ править ]

^ Франческини, Альберто (14 мая 2021 г.). «Фотон-фотонные взаимодействия и непрозрачность Вселенной в гамма-лучах» . Вселенная . 7 (5). 146. Бибкод : 2021Univ....7..146F . дои : 10.3390/universe7050146 .
^ * Релятивистская физика тяжелых ионов без ядерного контакта, К. А. Бертулани и Г. Баур, Physics Today, март 1994 г., стр. 22.
^ * Электромагнитная физика на релятивистских коллайдерах тяжелых ионов: к худшему и к лучшему, Г. Баур и К.А. Бертулани, Nucl. Физ. А 505 (1989) 835
^ д'Энтеррия, Дэвид; да Силвейра, Густаво Г. (22 августа 2013 г.). «Наблюдение рассеяния света за светом на Большом адронном коллайдере». Письма о физических отзывах . 111 (8). Американское физическое общество (APS): 080405. arXiv : 1305.7142 . Бибкод : 2013PhRvL.111h0405D . doi : 10.1103/physrevlett.111.080405 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 24010419 . S2CID 43797550 .
^ Майкл Ширбер (22 августа 2013 г.). «Краткий обзор: В центре внимания фотон-фотонное рассеяние». Письма о физических отзывах . 111 (8): 080405. arXiv : 1305.7142 . Бибкод : 2013PhRvL.111h0405D . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.080405 . ПМИД 24010419 . S2CID 43797550 .
^ «ATLAS обнаруживает рассеяние света за светом» . ЦЕРН Курьер . 11 ноября 2016 г. Проверено 27 мая 2019 г.
^ Сотрудничество ATLAS: Рассеяние света на свету в ультрапериферийных столкновениях Pb + Pb при √s _NN = 5,02 ТэВ с детектором ATLAS на LHC
^ Сотрудничество, CMS (2019). «Доказательства рассеяния света на свету и поиск аксионоподобных частиц в ультрапериферических столкновениях PbPb при ${\sqrt {s_{NN}}}$ = 5,02 ТэВ». Phys. Lett. B. 797 : 134826. arXiv : 1810.04602 . doi : 10.1016/j.physletb.2019.134826 . S2CID 201698459 .
^ Сотрудничество с CMS†; Сотрудничество ТОТЕМ‡; Тумасян А.; Адам, В.; Бергауэр, Т.; Драгичевич, М.; Эро, Дж.; Эскаланте Дель Валле, А.; Фрювирт, Р.; Джейтлер, М.; Краммер, Н.; Лехнер, Л.; Лико, Д.; Микулек, И.; Питтерс, FM (28 июня 2022 г.). «Первый поиск эксклюзивного образования дифотонов при большой массе с мечеными протонами в протон-протонных столкновениях при $\sqrt{s}=13\text{ }\text{ }\mathrm{TeV}$» . Письма о физических отзывах . 129 (1): 011801. arXiv : 2110.05916 . doi : 10.1103/PhysRevLett.129.011801 . ПМИД 35841572 .
^ Заваттини, Г.; Гастальди, У.; Пенго, Р.; Руозо, Г.; Валле, Ф. Делла; Милотти, Э. (20 июня 2012 г.). «Измерение магнитного двойного лучепреломления вакуума: эксперимент PVLAS». Международный журнал современной физики А. 27 (15). World Scientific Pub Co Pte Lt: 1260017. arXiv : 1201.2309 . Бибкод : 2012IJMPA..2760017Z . дои : 10.1142/s0217751x12600172 . ISSN 0217-751X . S2CID 119248772 .
^ Игорь П. Иванов1, Валерий Г. Сербо2,3, Пэнмин Чжан4,5, Судьба теоремы Ландау-Яна для скрученных фотонов, https://arxiv.org/pdf/1904.12110.pdf «Что на самом деле запрещено, так это производство частицу со спином 1 такой парой фотонов"
^ Уолш, Т.Ф.; Зервас, П. (1973). «Двухфотонные процессы в партонной модели». Буквы по физике Б. 44 (2). Эльзевир Б.В.: 195–198. Бибкод : 1973PhLB...44..195W . дои : 10.1016/0370-2693(73)90520-0 . ISSN 0370-2693 .
^ Виттен, Эдвард (1977). «Аномальное сечение фотон-фотонного рассеяния в калибровочных теориях». Ядерная физика Б . 120 (2). Эльзевир Б.В.: 189–202. Бибкод : 1977НуФБ.120..189Вт . дои : 10.1016/0550-3213(77)90038-4 . ISSN 0550-3213 .
^ Бардин, Уильям А.; Бурас, Анджей Дж. (1 июня 1979 г.). «Поправки асимптотической свободы высшего порядка к рассеянию фотонов». Физический обзор D . 20 (1). Американское физическое общество (APS): 166–178. Бибкод : 1979PhRvD..20..166B . дои : 10.1103/physrevd.20.166 . ISSN 0556-2821 .
^ Бардин, Уильям А.; Бурас, Анджей Дж. (1 марта 1980 г.). «Ошибка: поправки асимптотической свободы высшего порядка к фотон-фотонному рассеянию» . Физический обзор D . 21 (7). Американское физическое общество (APS): 2041. Бибкод : 1980PhRvD..21.2041B . дои : 10.1103/physrevd.21.2041 . ISSN 0556-2821 .
^ Ачард, П.; и др. (сотрудничество L3) (2005). «Измерение структурной функции фотона F ₂^с с детектором L3 на LEP». Physics Letters B. 622 ( 3–4): 249–264. arXiv : hep-ex/0507042 . Bibcode : 2005PhLB..622..249A . doi : 10.1016/j.physletb.2005.07 .028 . ISSN 0370-2693 .
^ Нисиус, Ричард (2000). «Структура фотонов в результате глубоконеупругого электрон-фотонного рассеяния». Отчеты по физике . 332 (4–6): 165–317. arXiv : hep-ex/9912049 . Бибкод : 2000ФР...332..165Н . дои : 10.1016/s0370-1573(99)00115-5 . ISSN 0370-1573 . S2CID 119437227 .

Внешние ссылки [ править ]

[1] Франческини, Альберто (14 мая 2021 г.). «Фотон-фотонные взаимодействия и непрозрачность Вселенной в гамма-лучах» . Вселенная . 7 (5). 146. Бибкод : 2021Univ....7..146F . дои : 10.3390/universe7050146 .

[2] * Релятивистская физика тяжелых ионов без ядерного контакта, К. А. Бертулани и Г. Баур, Physics Today, март 1994 г., стр. 22.

[3] * Электромагнитная физика на релятивистских коллайдерах тяжелых ионов: к худшему и к лучшему, Г. Баур и К.А. Бертулани, Nucl. Физ. А 505 (1989) 835

[d'Enterria2013-4] д'Энтеррия, Дэвид; да Силвейра, Густаво Г. (22 августа 2013 г.). «Наблюдение рассеяния света за светом на Большом адронном коллайдере». Письма о физических отзывах . 111 (8). Американское физическое общество (APS): 080405. arXiv : 1305.7142 . Бибкод : 2013PhRvL.111h0405D . doi : 10.1103/physrevlett.111.080405 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 24010419 . S2CID 43797550 .

[5] Майкл Ширбер (22 августа 2013 г.). «Краткий обзор: В центре внимания фотон-фотонное рассеяние». Письма о физических отзывах . 111 (8): 080405. arXiv : 1305.7142 . Бибкод : 2013PhRvL.111h0405D . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.080405 . ПМИД 24010419 . S2CID 43797550 .

[6] «ATLAS обнаруживает рассеяние света за светом» . ЦЕРН Курьер . 11 ноября 2016 г. Проверено 27 мая 2019 г.

[7] Сотрудничество ATLAS: Рассеяние света на свету в ультрапериферийных столкновениях Pb + Pb при √s _NN = 5,02 ТэВ с детектором ATLAS на LHC

[8] Сотрудничество, CMS (2019). «Доказательства рассеяния света на свету и поиск аксионоподобных частиц в ультрапериферических столкновениях PbPb при ${\sqrt {s_{NN}}}$ = 5,02 ТэВ». Phys. Lett. B. 797 : 134826. arXiv : 1810.04602 . doi : 10.1016/j.physletb.2019.134826 . S2CID 201698459 .

[9] Сотрудничество с CMS†; Сотрудничество ТОТЕМ‡; Тумасян А.; Адам, В.; Бергауэр, Т.; Драгичевич, М.; Эро, Дж.; Эскаланте Дель Валле, А.; Фрювирт, Р.; Джейтлер, М.; Краммер, Н.; Лехнер, Л.; Лико, Д.; Микулек, И.; Питтерс, FM (28 июня 2022 г.). «Первый поиск эксклюзивного образования дифотонов при большой массе с мечеными протонами в протон-протонных столкновениях при $\sqrt{s}=13\text{ }\text{ }\mathrm{TeV}$» . Письма о физических отзывах . 129 (1): 011801. arXiv : 2110.05916 . doi : 10.1103/PhysRevLett.129.011801 . ПМИД 35841572 .

[10] Заваттини, Г.; Гастальди, У.; Пенго, Р.; Руозо, Г.; Валле, Ф. Делла; Милотти, Э. (20 июня 2012 г.). «Измерение магнитного двойного лучепреломления вакуума: эксперимент PVLAS». Международный журнал современной физики А. 27 (15). World Scientific Pub Co Pte Lt: 1260017. arXiv : 1201.2309 . Бибкод : 2012IJMPA..2760017Z . дои : 10.1142/s0217751x12600172 . ISSN 0217-751X . S2CID 119248772 .

[11] Игорь П. Иванов1, Валерий Г. Сербо2,3, Пэнмин Чжан4,5, Судьба теоремы Ландау-Яна для скрученных фотонов, https://arxiv.org/pdf/1904.12110.pdf «Что на самом деле запрещено, так это производство частицу со спином 1 такой парой фотонов"

[12] Уолш, Т.Ф.; Зервас, П. (1973). «Двухфотонные процессы в партонной модели». Буквы по физике Б. 44 (2). Эльзевир Б.В.: 195–198. Бибкод : 1973PhLB...44..195W . дои : 10.1016/0370-2693(73)90520-0 . ISSN 0370-2693 .

[13] Виттен, Эдвард (1977). «Аномальное сечение фотон-фотонного рассеяния в калибровочных теориях». Ядерная физика Б . 120 (2). Эльзевир Б.В.: 189–202. Бибкод : 1977НуФБ.120..189Вт . дои : 10.1016/0550-3213(77)90038-4 . ISSN 0550-3213 .

[14] Бардин, Уильям А.; Бурас, Анджей Дж. (1 июня 1979 г.). «Поправки асимптотической свободы высшего порядка к рассеянию фотонов». Физический обзор D . 20 (1). Американское физическое общество (APS): 166–178. Бибкод : 1979PhRvD..20..166B . дои : 10.1103/physrevd.20.166 . ISSN 0556-2821 .

[Bardeen_Buras_pp._2041–2041-15] Бардин, Уильям А.; Бурас, Анджей Дж. (1 марта 1980 г.). «Ошибка: поправки асимптотической свободы высшего порядка к фотон-фотонному рассеянию» . Физический обзор D . 21 (7). Американское физическое общество (APS): 2041. Бибкод : 1980PhRvD..21.2041B . дои : 10.1103/physrevd.21.2041 . ISSN 0556-2821 .

[16] Ачард, П.; и др. (сотрудничество L3) (2005). «Измерение структурной функции фотона F ₂^с с детектором L3 на LEP». Physics Letters B. 622 ( 3–4): 249–264. arXiv : hep-ex/0507042 . Bibcode : 2005PhLB..622..249A . doi : 10.1016/j.physletb.2005.07 .028 . ISSN 0370-2693 .

[17] Нисиус, Ричард (2000). «Структура фотонов в результате глубоконеупругого электрон-фотонного рассеяния». Отчеты по физике . 332 (4–6): 165–317. arXiv : hep-ex/9912049 . Бибкод : 2000ФР...332..165Н . дои : 10.1016/s0370-1573(99)00115-5 . ISSN 0370-1573 . S2CID 119437227 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]