Física de dos fotones
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 haces de luz se cruzan entre sí sin ser perturbados. Dentro de un material óptico, y si la intensidad de los rayos es lo suficientemente alta, los rayos pueden afectarse entre sí a través de una variedad de efectos no lineales. En el vacío puro, también existe una débil dispersión de luz por luz. Además, por encima de algún umbral de esta energía del centro de masa del sistema de los dos fotones, se puede crear materia .
Las interacciones fotón-fotón limitan el espectro de fotones de rayos gamma observados a distancias cosmológicas moderadas a una energía de fotones por debajo de alrededor de 20 GeV , es decir, a una longitud de onda mayor que aproximadamente6,2 × 10 −11 m . Este límite alcanza hasta alrededor de 20 TeV a distancias meramente intergalácticas.[1] Una analogía sería la luz que viaja a través de la niebla: a distancias cercanas se puede ver una fuente de luz más claramente 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 una 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 de partículas-antipartículas a través de 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 los fotones de muy alta energía a distancias intergalácticas y cosmológicas.
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 significativos hasta el momento se realizaron en el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP) en el CERN . Si la transferencia de momento transversal y, por lo tanto, la desviación 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) de iones pesados, como el oro o el plomo. Estas son colisiones en las que los núcleos que chocan no se tocan entre sí; 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 se suprime en gran medida, lo que hace que la interacción electromagnética más débil sea mucho más visible. 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 de electrones y positrones. Los UPC se estudian con el código de simulación STARlight .
La dispersión luz por luz se puede estudiar utilizando los fuertes campos electromagnéticos de los hadrones que chocan en el LHC, [2] [3] se vio por primera vez en 2016 por la colaboración ATLAS [4] [5] y luego fue confirmado por la colaboración CMS . [6] La mejor restricción anterior sobre la sección transversal de dispersión fotón-fotón elástica fue establecida por PVLAS , que informó un límite superior muy por encima del nivel predicho por el modelo estándar . [7] La observación de una sección transversal más grande que la predicha por el Modelo Estándar podría significar nueva física como axiones, cuya búsqueda es el objetivo principal de PVLAS y varios experimentos similares.
