stringtranslate.com

Двухфотонная физика

Диаграмма Фейнмана ( ящик с диаграммой ) для рассеяния фотонов: один фотон рассеивается на переходных флуктуациях вакуумного заряда другого.

Двухфотонная физика , также называемая гамма-гамма-физикой , является разделом физики элементарных частиц , описывающим взаимодействия между двумя фотонами . Обычно лучи света проходят друг сквозь друга невозмущенно. Внутри оптического материала, и 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. Кроме того, выше некоторого порога этой энергии центра масс системы двух фотонов может быть создана материя .

Астрономия

Космологические/межгалактические гамма-лучи

Взаимодействие фотонов между собой ограничивает спектр наблюдаемых гамма-фотонов на умеренных космологических расстояниях до энергии фотонов ниже примерно 20  ГэВ , то есть до длины волны больше примерно6,2 × 10−11 м . Этот  предел достигает примерно 20  ТэВ на просто межгалактических расстояниях. [1] Аналогией может служить свет, проходящий сквозь туман: на близких расстояниях источник света виден более отчетливо, чем на больших расстояниях из-за рассеяния света частицами тумана. Аналогично, чем дальше гамма-луч проходит через вселенную, тем больше вероятность того, что он будет рассеян из-за взаимодействия с низкоэнергетическим фотоном из внегалактического фонового света .

При этих энергиях и расстояниях очень высокоэнергетические гамма-фотоны имеют значительную вероятность фотон-фотонного взаимодействия с низкоэнергетическим фоновым фотоном из внегалактического фонового света, что приводит либо к созданию пар частица-античастица посредством прямого образования пар , либо (реже) посредством событий фотон-фотонного рассеяния, которые снижают энергию падающих фотонов. Это делает вселенную фактически непрозрачной для очень высокоэнергетических фотонов на межгалактических и космологических расстояниях.

Эксперименты

Двухфотонную физику можно изучать с помощью ускорителей частиц высокой энергии , где ускоренные частицы — это не сами фотоны, а заряженные частицы, которые будут излучать фотоны. Наиболее значимые исследования на данный момент были выполнены на Большом электронно-позитронном коллайдере (LEP) в ЦЕРНе . Если поперечная передача импульса и, следовательно, отклонение велики, можно обнаружить один или оба электрона; это называется маркировкой. Другие частицы, которые создаются во взаимодействии, отслеживаются большими детекторами для реконструкции физики взаимодействия.

Часто фотон-фотонные взаимодействия изучаются с помощью ультрапериферических столкновений (UPC) [2] тяжелых ионов, таких как золото или свинец. Это столкновения, в которых сталкивающиеся ядра не касаются друг друга; т. е. параметр удара больше суммы радиусов ядер. Сильное взаимодействие между кварками, составляющими ядра, таким образом, значительно подавляется, что делает более слабое электромагнитное взаимодействие гораздо более заметным. В UPC, поскольку ионы сильно заряжены, возможно наличие двух независимых взаимодействий между одной парой ионов, таких как образование двух пар электрон-позитрон. UPC изучаются с помощью кода моделирования STARlight .

Рассеяние света светом, как предсказано в [3], можно изучать с использованием сильных электромагнитных полей адронов, сталкивающихся на LHC, [4] [5] оно впервые было обнаружено в 2016 году коллаборацией ATLAS [ 6] [7] и затем подтверждено коллаборацией CMS , [8] в том числе при высоких двухфотонных энергиях. [9] Лучшее предыдущее ограничение на сечение упругого рассеяния фотонов фотона 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 которой 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 согласно теореме 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 связываться друг с другом напрямую в вершине с дополнительными двумя W-бозонами: фотон может, в рамках принципа неопределенности, флуктуировать в виртуальную заряженную пару фермион -антифермион, с любым из которых другой фотон может связываться. Эта пара фермионов может быть лептонами или кварками. Таким образом, эксперименты по двухфотонной физике могут использоваться как способы изучения структуры фотона или, несколько метафорически, того, что находится «внутри» фотона.

Фотон флуктуирует, образуя пару фермион-антифермион.
Создание пары фермион-антифермион посредством прямого двухфотонного взаимодействия. Эти рисунки представляют собой диаграммы Фейнмана .

Существует три процесса взаимодействия:

Внутреннее 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

Ссылки

  1. ^ Франческини, Альберто (14 мая 2021 г.). «Взаимодействие фотонов и непрозрачность Вселенной в гамма-лучах». Universe . 7 (5). 146. Bibcode :2021Univ....7..146F. doi : 10.3390/universe7050146 .
  2. ^ * Релятивистская физика тяжелых ионов без ядерного контакта, CA Bertulani и G. Baur, Physics Today, март 1994 г., стр. 22.
  3. ^ * Электромагнитная физика на релятивистских коллайдерах тяжелых ионов: к худшему и к лучшему, G. Baur и CABertulani, Nucl. Phys. A 505 (1989) 835
  4. ^ d'Enterria, David; da Silveira, Gustavo G. (22 августа 2013 г.). «Наблюдение рассеяния света светом на Большом адронном коллайдере». Physical Review Letters . 111 (8). Американское физическое общество (APS): 080405. arXiv : 1305.7142 . Bibcode : 2013PhRvL.111h0405D. doi : 10.1103/physrevlett.111.080405. ISSN  0031-9007. PMID  24010419. S2CID  43797550.
  5. ^ Майкл Ширбер (22 августа 2013 г.). «Синопсис: В центре внимания рассеяние фотонов». Physical Review Letters . 111 (8): 080405. arXiv : 1305.7142 . Bibcode : 2013PhRvL.111h0405D. doi : 10.1103/PhysRevLett.111.080405. PMID  24010419. S2CID  43797550.
  6. ^ "ATLAS spots light-by-light scattering". CERN Courier . 11 ноября 2016 г. Получено 27 мая 2019 г.
  7. ^ Сотрудничество ATLAS: Рассеяние света светом в ультрапериферических столкновениях Pb+Pb при √sNN=5,02 ТэВ с детектором ATLAS на LHC
  8. ^ Сотрудничество, CMS (2019). «Доказательства рассеяния света светом и поиски аксионоподобных частиц в ультрапериферических столкновениях PbPb при = 5,02 ТэВ». Phys. Lett. B . 797 : 134826. arXiv : 1810.04602 . doi :10.1016/j.physletb.2019.134826. S2CID  201698459.
  9. ^ Сотрудничество CMS†; Сотрудничество TOTEM‡; Тумасян, А.; Адам, В.; Бергауэр, Т.; Драгичевич, М.; Эрё, Дж.; Эскаланте Дель Валле, А.; Фрювирт, Р.; Йейтлер, М.; Краммер, Н.; Лехнер, Л.; Лико, Д.; Микулец, И.; Питтерс, Ф. М. (2022-06-28). "Первый поиск эксклюзивного дифотонного производства при высокой массе с мечеными протонами в протон-протонных столкновениях при $\sqrt{s}=13\text{ }\text{ }\mathrm{TeV}$". Physical Review Letters . 129 (1): 011801. arXiv : 2110.05916 . doi : 10.1103/PhysRevLett.129.011801 . PMID  35841572.
  10. ^ Zavattini, G.; Gastaldi, U.; Pengo, R.; Ruoso, G.; Valle, F. Della; Milotti, E. (20 июня 2012 г.). «Измерение магнитного двупреломления вакуума: эксперимент PVLAS». International Journal of Modern Physics A . 27 (15). World Scientific Pub Co Pte Lt: 1260017. arXiv : 1201.2309 . Bibcode :2012IJMPA..2760017Z. doi :10.1142/s0217751x12600172. ISSN  0217-751X. S2CID  119248772.
  11. ^ Игорь П. Иванов1, Валерий Г. Сербо2,3, Пэнмин Чжан4,5, Судьба теоремы Ландау-Янга для закрученных фотонов, https://arxiv.org/pdf/1904.12110.pdf "Что на самом деле запрещено, так это рождение частицы со спином 1 такой парой фотонов"
  12. ^ Уолш, ТФ; Зервас, П. (1973). «Двухфотонные процессы в партонной модели». Physics Letters B. 44 ( 2). Elsevier BV: 195–198. Bibcode : 1973PhLB...44..195W. doi : 10.1016/0370-2693(73)90520-0. ISSN  0370-2693.
  13. ^ Виттен, Эдвард (1977). «Аномальное сечение рассеяния фотонов в калибровочных теориях». Nuclear Physics B. 120 ( 2). Elsevier BV: 189–202. Bibcode : 1977NuPhB.120..189W. doi : 10.1016/0550-3213(77)90038-4. ISSN  0550-3213.
  14. ^ Бардин, Уильям А.; Бурас, Анджей Дж. (1 июня 1979 г.). «Поправки к асимптотической свободе высшего порядка для рассеяния фотонов». Physical Review D. 20 ( 1). Американское физическое общество (APS): 166–178. Bibcode : 1979PhRvD..20..166B. doi : 10.1103/physrevd.20.166. ISSN  0556-2821.
  15. ^ Бардин, Уильям А.; Бурас, Анджей Дж. (1 марта 1980 г.). "Erratum: Higher-order asymptotic-freedom corrections to photon-photon scattering". Physical Review D. 21 ( 7). Американское физическое общество (APS): 2041. Bibcode : 1980PhRvD..21.2041B. doi : 10.1103/physrevd.21.2041 . ISSN  0556-2821.
  16. ^ Achard, P.; et al. (сотрудничество L3) (2005). «Измерение структурной функции фотона F 2 γ с помощью детектора 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. S2CID  119346514.
  17. ^ Нисиус, Ричард (2000). «Структура фотона из глубоконеупругого рассеяния электронов на фотонах». Physics Reports . 332 (4–6): 165–317. arXiv : hep-ex/9912049 . Bibcode : 2000PhR...332..165N. doi : 10.1016/s0370-1573(99)00115-5. ISSN  0370-1573. S2CID  119437227.

Внешние ссылки