Физика двухфотонных процессов (двухфотонная физика) — это раздел физики элементарных частиц, описывающий взаимодействие двух фотонов. Обычно лучи света проходят друг сквозь друга без каких-либо помех. Внутри оптического материала, если интенсивность лучей достаточно высока, лучи могут воздействовать друг на друга посредством различных нелинейных оптических эффектов. В чистом вакууме также существует слабое рассеяние света светом на свете. Кроме того, при превышении некоторого порогового значения энергии центра масс системы из двух фотонов может быть создано вещество.

Астрономия

Космологические/межгалактические гамма-лучи Взаимодействие фотонов ограничивает спектр наблюдаемых гамма-лучей на умеренных космологических расстояниях энергией фотонов ниже примерно 20 ГэВ, то есть до длины волны, превышающей приблизительно . Этот предел достигает примерно 20 ТэВ на межгалактических расстояниях. Можно провести аналогию со светом, распространяющимся сквозь туман: на близких расстояниях источник света виден лучше, чем на больших, из-за рассеяния света частицами тумана. Аналогично, чем дальше гамма-луч распространяется во Вселенной, тем выше вероятность его рассеяния в результате взаимодействия с фотоном низкой энергии из внегалактического фонового излучения.

При таких энергиях и расстояниях гамма-кванты очень высокой энергии имеют значительную вероятность взаимодействия с фоновым фотоном низкой энергии из внегалактического фонового излучения, что приводит либо к образованию пар частица-античастица посредством прямого рождения пар, либо (реже) к событиям рассеяния фотона на фотоне, которые понижают энергию падающих фотонов. Это делает Вселенную фактически непрозрачной для фотонов очень высокой энергии на межгалактических и космологических расстояниях.

Эксперименты Двухфотонную физику можно изучать с помощью ускорителей частиц высокой энергии, где ускоряемыми частицами являются не сами фотоны, а заряженные частицы, которые будут излучать фотоны. Наиболее значимые исследования на сегодняшний день были проведены на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) в ЦЕРНе. Если передача поперечного импульса и, следовательно, отклонение велики, то можно обнаружить один или оба электрона; это называется мечением. Другие частицы, образующиеся в результате взаимодействия, отслеживаются крупными детекторами для определения физических процессов взаимодействия.

Часто фотон-фотонные взаимодействия изучаются посредством ультрапериферийных столкновений (УПС)Relativistic Heavy Ion Physics without Nuclear Contact, C.A. Bertulani and G. Baur, Physics Today, March 1994, pg. 22. тяжёлых ионов, таких как золото или свинец. Это столкновения, при которых сталкивающиеся ядра не соприкасаются друг с другом; то есть, прицельный параметр больше суммы радиусов ядер. Таким образом, сильное взаимодействие между кварками, составляющими ядра, значительно подавляется, что приводит к ослаблению более слабого электромагнитного взаимодействия, делая -взаимодействие гораздо более заметным. В УПК, поскольку ионы сильно заряжены, возможно два независимых взаимодействия между одной ионной парой, например, образование двух электрон-позитронных пар. Анализ УПС-маркеров проводится с помощью программы моделирования STARlight.

Рассеяние света светомElectromagnetic physics at relativistic heavy ion colliders: for worse and for better, G. Baur and C.A.Bertulani, Nucl. Phys. A 505 (1989) 835 можно изучать с помощью сильных электромагнитных полей адронов, столкнувшихся на БАК. Впервые это явление было обнаружено в 2016 году коллаборацией ATLASATLAS Collaboration: Light-by-light scattering in ultra-peripheral Pb+Pb collisions at √sNN=5.02 TeV with the ATLAS detector at the LHC, а затем подтверждено коллаборацией CMS, в том числе при высоких энергиях двух фотонов. Наилучшее предыдущее ограничение на сечение упругого фотон-фотонного рассеяния было установлено PVLAS, которые сообщили о верхнем пределе, значительно превышающем уровень, предсказанный Стандартной моделью.

Процессы Из квантовой электродинамики можно заключить, что фотоны не могут напрямую взаимодействовать друг с другом и с фермионным полем согласно теореме Ландау — ЯнгаIgor P. Ivanov1, Valeriy G. Serbo2,3, Pengming Zhang4,5, Fate of the Landau-Yang theorem for twisted photons, https://arxiv.org/pdf/1904.12110.pdf «What is actually forbidden is production of a spin-1 particle by such a photon pair» поскольку они не несут заряда и не существует вершины с 2 фермионами + 2 бозонами из-за требований перенормируемости, но они могут взаимодействовать посредством процессов более высокого порядка или напрямую взаимодействовать друг с другом в вершине с двумя дополнительными W-бозонами: фотон может, в пределах принципа неопределённости, флуктуировать в виртуальную заряженную пару фермион-антифермион, с любой из которых может взаимодействовать другой фотон. Эта пара фермионов может состоять из лептонов или кварков. Таким образом, эксперименты в области двухфотонной физики могут быть использованы для изучения структуры фотона.

Существует три процесса взаимодействия:

Прямой или точечный: фотон напрямую взаимодействует с кварком внутри целевого фотона. Если образуется пара лептон-антилептон, этот процесс включает только квантовую электродинамику (КЭД), но если образуется пара кварк-антикварк, то он включает как КЭД, так и пертурбативную квантовую хромодинамику (КХД).

Внутреннее содержание кварков фотона описывается структурной функцией фотона, экспериментально проанализированной в глубоко неупругом рассеянии электронов на фотонах.

Разрешение одиночного кварка: пара кварков целевого фотона образует векторный мезон. Зондирующий фотон взаимодействует с одним из составляющих этого мезона. Двойное разрешение: как целевой, так и зондирующий фотоны образовали векторный мезон. В результате происходит взаимодействие двух адронов.

В последних двух случаях масштаб взаимодействия таков, что константа сильной связи велика. Это явление называется доминированием векторных мезонов (ДВМ) и должно быть смоделировано в непертурбативной квантовой хромодинамике (КХД).

Примечания

Ссылки

Категория:Экспериментальная физика элементарных частиц Категория:Квантовая электродинамика