Кіріспе
Екі фотонның өзара әрекеттесуіне қатысты бөлшектер физикасының саласы. Екі фотондық физика, сондай-ақ гамма-гамма физикасы деп аталады, бұл екі фотонның өзара әрекеттесуін сипаттайтын бөлшектер физикасының саласы. Көбінесе, жарық сәулелері бір-бірінен өзгеріссіз өтіп кетеді. Бірақ, оптикалық материалдың ішінде, егер сәулелердің қарқындылығы жеткілікті деңгейде болса, сәулелер әртүрлі сызықтық емес эффектілер арқылы бір-біріне әсер ете алады. Таза вакуумда жарықтың өзінің жарықпен әлсіз шашырауы да болады. Сонымен қатар, екі фотонның жүйесінің ортақ массалық энергиясы белгілі бір шектен асса, материя пайда болуы мүмкін.
Two photon physics, also called gamma–gamma physics, is a branch of particle physics that describes the interactions between two photons. Normally, beams of light pass through each other unperturbed. Inside an optical material, and if the intensity of the beams is high enough, the beams may affect each other through a variety of non linear effects. In pure vacuum, some weak scattering of light by light exists as well. Also, above some threshold of this center of mass energy of the system of the two photons, matter can be created.
Космологиялық/галактикалық гамма сәулелері
Фотон-фотон өзара әрекеттесуі, орташа космологиялық қашықтықта байқалатын гамма-сәулелік фотондардың спектрін шамамен 20 ГэВ-тан төмен энергияға, яғни шамамен 6,2-ден ұзын толқын ұзындығына дейін шектейді. Бұл шек, тек ғалакшааралық қашықтықтарда 20 ТэВ-қа дейін жетеді. Мысалы, жарық тұман арқылы өтеді: жақын қашықтықтағы жарық көзі, алыс қашықтықтағыдан гөрі анық көрінеді, себебі тұман бөлшектері жарықты шашыратады. Сол сияқты, гамма-сәуле ғалам арқылы неғұрлым алысқа саяхатса, ғалакшадан тыс фондық жарықтың төмен энергиялы фотонымен өзара әрекеттесу арқылы шашырауының ықтималдығы соғұрлым артады. Осындай энергиялар мен қашықтықтарда, жоғары энергиялы гамма-сәулелік фотондардың ғалакшадан тыс фондық жарықтың төмен энергиялы фотонымен фотон-фотон өзара әрекеттесуіне айтарлықтай мүмкіндік бар, бұл тікелей жұп өндірісі арқылы бөлшектің антибөлшегі жұбының пайда болуына немесе (сирек жағдайда) фотон энергиясын төмендететін фотон-фотон шашырауына әкеледі. Бұл ғаламды ғалакшааралық және космологиялық қашықтықтағы өте жоғары энергиялы фотондар үшін тиімді түрде өткізбейді.
Тәжірибелер
Екі фотонды физиканы жоғары энергиялы бөлшектер үдеткіштерімен зерттеуге болады, онда үдетілген бөлшектер фотондардың өзі емес, фотондарды сәулелендіретін зарядталған бөлшектер болып табылады. Осы уақытқа дейін ең маңызды зерттеулер CERN-дегі Үлкен электрон-позитрон коллайдерінде (LEP) жүргізілді. Егер көлденең импульс беру және осылайша ауытқу үлкен болса, бір немесе екі электронды анықтауға болады; бұл таңбалау деп аталады. Өзара әрекеттесуде пайда болатын басқа бөлшектер өзара әрекеттесудің физикасын қайта құру үшін үлкен детекторлармен қадағаланады. Көбінесе фотон-фотон өзара әрекеттесулері алтын немесе қорғасын сияқты ауыр иондардың ультраперифериялық соқтығысулары (UPC) арқылы зерттеледі. Бұл соқтығысқан ядролар бір-біріне тимейтін соқтығысулар; яғни, соқтығысу параметрі ядролар радиусының қосындысынан үлкен. Осылайша, ядро құрамындағы кварктар арасындағы күшті өзара әрекеттесу қатты басылады, ал әлсіз электромагниттік өзара әрекеттесу көбірек көрінеді. UPC-де иондардың заряды жоғары болғандықтан, бір ион жұбының арасында екі электрон-позитрон жұбының туындауы сияқты екі тәуелсіз өзара әрекеттесу болуы мүмкін. UPC-лер STARlight симуляциялық кодымен зерттеледі. Жарықпен жарық шашырауы, болжаланғандай, LHC-де соқтығысқан адрондардың күшті электромагниттік өрістерін пайдалана отырып зерттелуі мүмкін, оны алғаш рет 2016 жылы ATLAS ынтымақтастығы байқады, содан кейін CMS ынтымақтастығы растады, жоғары екі фотондық энергиялар да бар. Эластикалық фотон-фотон шашырауының көлденең қимасына ең жақсы шектеу PVLAS орнатып, Стандартты Модельде болжалған деңгейден әлдеқайда жоғары жоғарғы шек көрсетті. Стандартты Модельдің болжамынан үлкен қиманың байқалуы аксиондар сияқты жаңа физиканы білдіруі мүмкін, оларды іздеу PVLAS және бірнеше ұқсас эксперименттердің негізгі мақсаты болып табылады.