Введение

Физика двух фотонов, также называемая гамма-гамма-физикой, — это раздел физики частиц, изучающий взаимодействия между двумя фотонами. Обычно световые пучки проходят друг сквозь друга, не оказывая влияния. Однако внутри оптического материала, и при достаточно высокой интенсивности пучков, они могут воздействовать друг на друга посредством различных нелинейных эффектов. В чистом вакууме также существует слабое рассеяние света светом. Кроме того, при превышении определенного порога суммарной энергии двух фотонов может происходить рождение материи.

Космологические/межгалактические гамма-лучи

Взаимодействие фотон-фотон ограничивает спектр наблюдаемых гамма-фотонов на умеренных космологических расстояниях энергией ниже примерно 20 ГэВ, что соответствует длине волны более 6,2. Этот предел возрастает до около 20 ТэВ на чисто межгалактических расстояниях. Можно провести аналогию со светом, проходящим сквозь туман: на небольших расстояниях источник света виден четче, чем на больших, из-за рассеяния света частицами тумана. Аналогично, чем дальше гамма-луч распространяется во Вселенной, тем выше вероятность его рассеяния при взаимодействии с фотоном низкой энергии из внегалактического фонового излучения. При таких энергиях и расстояниях высокоэнергетические гамма-фотоны имеют значительную вероятность взаимодействия фотон-фотон с фотоном низкой энергии из внегалактического фонового излучения, что приводит либо к образованию пар частица-античастица посредством прямого рождения пар, либо (реже) к рассеянию фотонов-фотонов, уменьшающему энергию падающих фотонов. Это делает Вселенную практически непрозрачной для фотонов очень высоких энергий на межгалактических и космологических расстояниях.

Эксперименты

Физику двух фотонов можно изучать с помощью ускорителей частиц высокой энергии, где ускоренными частицами являются не сами фотоны, а заряженные частицы, излучающие фотоны. Наиболее значимые исследования были проведены на Большом электронно-позитронном коллайдере (LEP) в ЦЕРНе. Если поперечный перенос импульса и, следовательно, отклонение велики, один или оба электрона могут быть зарегистрированы; это называется тегированием. Другие частицы, образующиеся в результате взаимодействия, отслеживаются большими детекторами для реконструкции физики взаимодействия. Часто взаимодействия фотон-фотон изучаются посредством ультрапериферических столкновений (УПС) тяжелых ионов, таких как золото или свинец. Это столкновения, при которых сталкивающиеся ядра не соприкасаются друг с другом, то есть параметр удара больше суммы радиусов ядер. Сильное взаимодействие между кварками, составляющими ядра, таким образом значительно подавляется, что делает более слабое электромагнитное взаимодействие гораздо более заметным. В УПС, поскольку ионы сильно заряжены, возможно наличие двух независимых взаимодействий между одной парой ионов, например, образование двух электрон-позитронных пар. УПС изучаются с помощью кода моделирования STARlight. Рассеяние света на свете, как предсказывалось, может быть изучено с использованием сильных электромагнитных полей адронов, сталкивающихся в БАК. Оно впервые было зарегистрировано в 2016 году коллаборацией ATLAS и затем подтверждено коллаборацией CMS, в том числе при высоких энергиях двух фотонов. Наилучшее предыдущее ограничение на эластичное сечение рассеяния фотонов было установлено экспериментом PVLAS, который сообщил о верхнем пределе, значительно превышающем уровень, предсказанный Стандартной моделью. Наблюдение сечения, превышающего предсказанное Стандартной моделью, может указывать на новую физику, такую как аксионы, поиск которых является основной целью PVLAS и нескольких аналогичных экспериментов.