stringtranslate.com

Двухфотонная физика

Диаграмма Фейнмана ( коробчатая диаграмма ) фотон-фотонного рассеяния: один фотон рассеивается от переходных флуктуаций вакуумного заряда другого.

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 множества нелинейных эффектов. В чистом вакууме также существует некоторое слабое рассеяние света светом. Кроме того, выше некоторого порога энергии центра масс системы двух фотонов может быть создана материя .

Астрономия

Космологические/межгалактические гамма-лучи

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 , превышающей примерно6,2 × 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

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 передача импульса 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 ультрапериферических столкновений (УПС) [2] тяжелых ионов, таких как золото или свинец. Это столкновения, при которых сталкивающиеся ядра не касаются друг друга; т. е. прицельный параметр больше суммы радиусов ядер. Таким образом, сильное взаимодействие между кварками, составляющими ядра, сильно подавляется, что делает более слабое электромагнитное взаимодействие гораздо более заметным. 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 на свете, как предсказано в [3] , можно изучать с помощью сильных электромагнитных полей адронов, столкнувшихся на БАК, [4] [5] впервые оно было обнаружено в 2016 году коллаборацией ATLAS [ 6] [7] и затем было подтверждено коллаборацией CMS [8] , в том числе и 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 поперечного сечения, большего, чем предсказано Стандартной моделью, может означать новую физику, такую ​​​​как аксионы , поиск которых является основной целью PVLAS и нескольких подобных экспериментов.

Процессы

Из квантовой электродинамики можно обнаружить, что фотоны не могут напрямую связываться друг с другом и фермионным полем в соответствии с теоремой Ландау-Янга [11], поскольку они не несут заряда и не существует вершины 2 фермиона + 2 бозона 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, флуктуировать в виртуальную заряженную пару фермион -антифермион, к любому из которых другой фотон может соединиться. 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.
Рождение пары фермион-антифермион за счет прямого двухфотонного взаимодействия. Эти рисунки представляют собой диаграммы Фейнмана .

Существует три процесса взаимодействия:

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

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

Смотрите также

Рекомендации

  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
  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. PMID  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. PMID  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 √sNN = 5,02 ТэВ с детектором ATLAS на БАКе.
  8. ^ Сотрудничество, CMS (2019). «Доказательства рассеяния света на свете и поиск аксионоподобных частиц в ультрапериферических столкновениях PbPb при энергии = 5,02 ТэВ». Физ. Летт. Б.​ 797 : 134826. arXiv : 1810.04602 . doi :10.1016/j.physletb.2019.134826. S2CID  201698459.
  9. ^ Сотрудничество 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, ТФ; 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 : 1977NuPhB.120..189W. 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 фотон-фотонному рассеянию». Физический обзор D . 20 (1). Американское физическое общество (APS): 166–178. Бибкод : 1979PhRvD..20..166B. doi :10.1103/physrevd.20.166. ISSN  0556-2821.
  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. ^ Ахард, П.; и другие. (сотрудничество L3) (2005). «Измерение структурной функции фотона F 2 γ детектором L3 на LEP». Буквы по физике Б. 622 (3–4): 249–264. arXiv : hep-ex/0507042 . Бибкод : 2005PhLB..622..249A. doi :10.1016/j.physletb.2005.07.028. ISSN  0370-2693. S2CID  119346514.
  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 : 2000PhR...332..165N. дои : 10.1016/s0370-1573(99)00115-5. ISSN  0370-1573. S2CID  119437227.

Внешние ссылки