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 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 la luz. Además, por encima de un umbral de este centro de masa de energía del sistema de los dos fotones, la materia puede ser creada .
Astronomía
La dispersión fotón-fotón limita el espectro de gammas observados a una energía de fotón por debajo de 80 TeV, es decir, una longitud de onda de más de ~1,5 × 10 −20 m . El otro fotón es uno de los muchos fotones del fondo cósmico de microondas . En el marco de referencia donde la masa invariante de los dos fotones está en reposo, ambos fotones son gammas con la energía suficiente para producir un par electrón-positrón.
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 mismos, sino partículas cargadas que irradiarán fotones. Los estudios más importantes hasta ahora 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 a través de colisiones ultraperiféricas (UPC) de iones pesados, como el oro o el plomo. Se trata de colisiones en las que los núcleos en colisión 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 el electromagnético sea más débil. interacción mucho más visible. En las 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 de luz a luz se puede estudiar utilizando los fuertes campos electromagnéticos de los hadrones que chocan en el LHC, [1] [2] se vio por primera vez en 2016 por la colaboración de ATLAS [3] [4] y luego fue confirmado por la colaboración CMS . [5] La mejor restricción previa en la sección transversal de dispersión elástica fotón-fotón fue establecida por PVLAS , que informó un límite superior muy por encima del nivel predicho por el Modelo Estándar . [6] La observación de una sección transversal mayor que la predicha por el Modelo Estándar podría significar una 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 a un campo fermiónico, ya que no llevan carga y no existe ningún vértice de 2 fermiones + 2 bosones debido a los requisitos de renormalización, 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 fermión- antifermión virtual cargado , a cualquiera de los cuales puede acoplarse el otro fotón. Este par de fermiones puede ser leptones o quarks. Por lo tanto, los experimentos de física de dos fotones se pueden utilizar como formas de estudiar la estructura del fotón o, algo metafóricamente, lo que está "dentro" del fotón.
Hay tres procesos de interacción:
- Directo o puntual : el fotón se acopla directamente a un quark dentro del fotón objetivo. [7] Si se crea un par leptón- antileptón, este proceso involucra sólo electrodinámica cuántica (QED), pero si se crea un par quark- anticuark, involucra tanto QED como cromodinámica cuántica perturbativa (QCD). [8] [9] [10]
El contenido de quarks intrínseco del fotón se describe mediante la función de estructura del fotón , analizada experimentalmente en la dispersión electrón-fotón inelástica profunda. [11] [12]
- Resolución simple : el par de quarks del fotón objetivo forma un mesón vectorial . El fotón de sondeo se acopla a un componente de este mesón.
- Doble resolución : tanto el fotón objetivo como el fotón sonda han formado un mesón vector. 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 denomina dominancia de mesones vectoriales (VMD) y debe modelarse en QCD no perturbativo.
Ver también
- La canalización de la radiación se ha considerado un método para generar haces de fotones polarizados de alta energía para colisionadores gamma-gamma.
- Creación de materia
- Producción de parejas
- Dispersión de Delbrück
Referencias
- ↑ d'Enterria, David; da Silveira, Gustavo G. (22 de agosto de 2013). "Observación de la dispersión de luz a luz en el gran colisionador de hadrones". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 111 (8): 080405. arXiv : 1305.7142 . doi : 10.1103 / physrevlett.111.080405 . ISSN 0031-9007 . PMID 24010419 . S2CID 43797550 .
- ^ Michael Schirber (22 de agosto de 2013). "Sinopsis: foco en la dispersión de fotón-fotón". Cartas de revisión física . 111 (8): 080405. arXiv : 1305.7142 . doi : 10.1103 / PhysRevLett.111.080405 . PMID 24010419 . S2CID 43797550 .
- ^ "ATLAS mancha la dispersión de luz a luz" . Mensajero del CERN . 11 de noviembre de 2016 . Consultado el 27 de mayo de 2019 .
- ^ Colaboración ATLAS: dispersión luz a luz en colisiones ultraperiféricas de Pb + Pb a √s NN = 5,02 TeV con el detector ATLAS en el LHC
- ^ Colaboración, CMS (2019). "Evidencia de dispersión luz por luz y búsquedas de partículas similares a axiones en colisiones ultraperiféricas de PbPb en $ \ SQRT {s_ \ mathrm {NN}} = $ 5,02 TeV". Phys. Letón. B . 797 : 134826. arXiv : 1810.04602 . doi : 10.1016 / j.physletb.2019.134826 . S2CID 201698459 .
- ^ Zavattini, G .; Gastaldi, U .; Pengo, R .; Ruoso, G .; Valle, F. Della; Milotti, E. (20 de junio de 2012). "Medición de la birrefringencia magnética del vacío: el experimento PVLAS". International Journal of Modern Physics A . World Scientific Pub Co Pte Lt. 27 (15): 1260017. arXiv : 1201.2309 . Código Bib : 2012IJMPA..2760017Z . doi : 10.1142 / s0217751x12600172 . ISSN 0217-751X . S2CID 119248772 .
- ^ Walsh, TF; Zerwas, P. (1973). "Procesos de dos fotones en el modelo parton". Physics Letters B . Elsevier BV. 44 (2): 195-198. Código Bibliográfico : 1973PhLB ... 44..195W . doi : 10.1016 / 0370-2693 (73) 90520-0 . ISSN 0370-2693 .
- ^ Witten, Edward (1977). "Sección transversal anómala para la dispersión de fotones-fotones en las teorías de gauge". Física B nuclear . Elsevier BV. 120 (2): 189-202. Código Bibliográfico : 1977NuPhB.120..189W . doi : 10.1016 / 0550-3213 (77) 90038-4 . ISSN 0550-3213 .
- ^ Bardeen, William A .; Buras, Andrzej J. (1 de junio de 1979). "Correcciones de libertad asintótica de orden superior a la dispersión de fotón-fotón". Physical Review D . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 20 (1): 166-178. Código bibliográfico : 1979PhRvD..20..166B . doi : 10.1103 / physrevd.20.166 . ISSN 0556-2821 .
- ^ Bardeen, William A .; Buras, Andrzej J. (1 de marzo de 1980). "Errata: correcciones de libertad asintótica de orden superior a la dispersión de fotón-fotón". Physical Review D . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 21 (7): 2041. Código Bibliográfico : 1980PhRvD..21.2041B . doi : 10.1103 / physrevd.21.2041 . ISSN 0556-2821 .
- ^ Achard, P .; et al. (Colaboración L3) (2005). "Medición de la función de estructura de fotones F 2 γ con el detector L3 en LEP". Physics Letters B . 622 (3–4): 249–264. arXiv : hep-ex / 0507042 . doi : 10.1016 / j.physletb.2005.07.028 . ISSN 0370-2693 .
- ^ Nisius, Richard (2000). "La estructura del fotón de la dispersión profunda inelástica de electrones-fotones". Informes de física . 332 (4–6): 165–317. arXiv : hep-ex / 9912049 . Código Bibliográfico : 2000PhR ... 332..165N . doi : 10.1016 / s0370-1573 (99) 00115-5 . ISSN 0370-1573 . S2CID 119437227 .
enlaces externos
- Lauber, JA, 1997, un pequeño tutorial sobre física gamma-gamma
- Física de dos fotones en LEP
- Física de dos fotones en CESR