La física de dos fotones , también llamada física gamma-gamma , es una rama de la física de partículas que describe las interacciones entre dos fotones . Normalmente, los rayos de luz se atraviesan imperturbables. Dentro de un material óptico, y si la intensidad de los haces es lo suficientemente alta, los haces pueden afectarse entre sí a través de una variedad de efectos no lineales. En el vacío puro, también existe una débil dispersión de la luz por la luz. Además, por encima de algún umbral de energía de este centro de masa del sistema de los dos fotones, se puede crear materia .
Astronomía
Rayos gamma cosmológicos/intergalácticos
Las interacciones fotón-fotón limitan el espectro de fotones de rayos gamma observados a distancias cosmológicas moderadas a una energía fotónica inferior a aproximadamente 20 GeV , es decir, a una longitud de onda mayor que aproximadamente6,2 × 10 −11 m . Este límite alcanza hasta unos 20 TeV en distancias meramente intergalácticas. [1] Una analogía sería la luz que viaja a través de la niebla: a distancias cercanas una fuente de luz es más claramente visible que a largas distancias debido a la dispersión de la luz por las partículas de niebla. De manera similar, cuanto más viaja un rayo gamma a través del universo, más probable es que sea dispersado por una interacción con un fotón de baja energía de la luz de fondo extragaláctica .
A esas energías y distancias, los fotones de rayos gamma de muy alta energía tienen una probabilidad significativa de interacción fotón-fotón con un fotón de fondo de baja energía de la luz de fondo extragaláctica, lo que resulta en la creación de pares partícula-antipartícula mediante la producción directa de pares o ( con menos frecuencia) por eventos de dispersión fotón-fotón que reducen las energías de los fotones incidentes. Esto hace que el universo sea efectivamente opaco a fotones de muy alta energía en distancias intergalácticas y cosmológicas.
experimentos
La física de dos fotones se puede estudiar con aceleradores de partículas de alta energía , donde las partículas aceleradas no son los fotones en sí sino partículas cargadas que irradiarán fotones. Los estudios más importantes hasta el momento se realizaron en el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP) del CERN . Si la transferencia de momento transversal y, por tanto, la deflexión es grande, se pueden detectar uno o ambos electrones; esto se llama etiquetado. Las otras partículas que se crean en la interacción son rastreadas por grandes detectores para reconstruir la física de la interacción.
Con frecuencia, las interacciones fotón-fotón se estudiarán mediante colisiones ultraperiféricas (UPC) [2] de iones pesados, como el oro o el plomo. Se trata de colisiones en las que los núcleos en colisión no se tocan; es decir, el parámetro de impacto es mayor que la suma de los radios de los núcleos. La fuerte interacción entre los quarks que componen los núcleos queda así enormemente suprimida, haciendo mucho más visible la interacción electromagnética más débil. En los UPC, debido a que los iones están muy cargados, es posible tener dos interacciones independientes entre un solo par de iones, como la producción de dos pares electrón-positrón. Los UPC se estudian con el código de simulación STARlight .
La dispersión luz por luz, como se predice en [3] , se puede estudiar utilizando los fuertes campos electromagnéticos de los hadrones colisionados en el LHC, [4] [5] y se observó por primera vez en 2016 gracias a la colaboración ATLAS [6]. [7] y luego fue confirmado por la colaboración CMS , [8] incluso a altas energías de dos fotones. [9] La mejor restricción anterior sobre la sección transversal elástica de dispersión de fotones-fotones fue establecida por PVLAS , que informó un límite superior muy por encima del nivel predicho por el Modelo Estándar . [10] La observación de una sección transversal mayor que la predicha por el modelo estándar podría significar nueva física como los axiones , cuya búsqueda es el objetivo principal de PVLAS y varios experimentos similares.
Procesos
De la electrodinámica cuántica se puede encontrar que los fotones no pueden acoplarse directamente entre sí y un campo fermiónico de acuerdo con el teorema de Landau-Yang [11] ya que no llevan carga y no existe un vértice de 2 fermiones + 2 bosones debido a requisitos de renormalizabilidad, pero pueden interactuar a través de procesos de orden superior o acoplarse directamente entre sí en un vértice con dos bosones W adicionales: un fotón puede, dentro de los límites del principio de incertidumbre, fluctuar en un par virtual fermión -antifermión cargado , a cualquiera de los cuales el otro fotón puede acoplarse. Este par de fermiones pueden ser leptones o quarks. Por lo tanto, los experimentos de física de dos fotones pueden usarse como formas de estudiar la estructura del fotón o, de manera algo metafórica, lo que hay "dentro" del fotón.
El fotón fluctúa formando un par fermión-antifermión.Creación de un par fermión-antifermión mediante la interacción directa de dos fotones. Estos dibujos son diagramas de Feynman .
El contenido intrínseco de quarks del fotón se describe mediante la función de estructura del fotón , analizada experimentalmente en dispersión inelástica profunda de electrones y fotones. [16] [17]
Resolución única : el par de quarks del fotón objetivo forma un mesón vectorial . El fotón sonda se acopla a un constituyente de este mesón.
Doble resolución : tanto el fotón objetivo como el fotón sonda han formado un mesón vectorial. Esto da como resultado una interacción entre dos hadrones.
Para los dos últimos casos, la escala de la interacción es tal que la constante de acoplamiento fuerte es grande. Esto se llama dominancia de mesón vectorial (VMD) y debe modelarse en QCD no perturbativo.
Ver también
La canalización de la radiación se ha considerado como un método para generar haces de fotones polarizados de alta energía para colisionadores gamma-gamma.
^ Franceschini, Alberto (14 de mayo de 2021). "Interacciones fotón-fotón y la opacidad del universo en los rayos gamma". Universo . 7 (5). 146. Código Bib : 2021Univ....7..146F. doi : 10.3390/universo7050146 .
^ * Física relativista de iones pesados sin contacto nuclear, CA Bertulani y G. Baur, Physics Today, marzo de 1994, pág. 22.
^ * Física electromagnética en colisionadores relativistas de iones pesados: para bien y para mal, G. Baur y CABertulani, Nucl. Física. 505 (1989) 835
^ d'Enterria, David; da Silveira, Gustavo G. (22 de agosto de 2013). "Observación de la dispersión luz por luz en el gran colisionador de hadrones". Cartas de revisión física . 111 (8). Sociedad Estadounidense de Física (APS): 080405. arXiv : 1305.7142 . Código bibliográfico : 2013PhRvL.111h0405D. doi : 10.1103/physrevlett.111.080405. ISSN 0031-9007. PMID 24010419. S2CID 43797550.
^ Michael Schirber (22 de agosto de 2013). "Sinopsis: Enfoque en la dispersión fotón-fotón". Cartas de revisión física . 111 (8): 080405. arXiv : 1305.7142 . Código bibliográfico : 2013PhRvL.111h0405D. doi : 10.1103/PhysRevLett.111.080405. PMID 24010419. S2CID 43797550.
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^ Colaboración, CMS (2019). "Evidencia de dispersión luz a luz y búsqueda de partículas similares a axiones en colisiones ultraperiféricas de PbPb a = 5,02 TeV". Física. Letón. B . 797 : 134826. arXiv : 1810.04602 . doi : 10.1016/j.physletb.2019.134826. S2CID 201698459.
^ Colaboración CMS †; Colaboración TOTEM‡; Tumasyan, A.; Adán, W.; Bergauer, T.; Dragicevic, M.; Erö, J.; Escalante Del Valle, A.; Frühwirth, R.; Jeitler, M.; Krammer, N.; Lechner, L.; Liko, D.; Mikulec, I.; Pitters, FM (28 de junio de 2022). "Primera búsqueda de producción exclusiva de difotones de gran masa con protones etiquetados en colisiones protón-protón en $\sqrt{s}=13\text{ }\text{ }\mathrm{TeV}$". Cartas de revisión física . 129 (1): 011801. arXiv : 2110.05916 . doi : 10.1103/PhysRevLett.129.011801 . PMID 35841572.
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enlaces externos
Lauber, JA, 1997, Un pequeño tutorial en el Archivo de Física gamma-gamma
