Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
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.
Branch of particle physics concerning interactions between two photons
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.
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.
Photon–photon interactions limit the spectrum of observed gamma ray photons at moderate cosmological distances to a photon energy below around 20 GeV, that is, to a wavelength of greater than approximately 6.2. This limit reaches up to around 20 TeV at merely intergalactic distances. An analogy would be light traveling through a fog: At near distances a light source is more clearly visible than can at long distances due to the scattering of light by fog particles. Similarly, the further a gamma ray travels through the universe, the more likely it is to be scattered by an interaction with a low energy photon from the extragalactic background light. At those energies and distances, very high energy gamma ray photons have a significant probability of a photon photon interaction with a low energy background photon from the extragalactic background light resulting in either the creation of particle antiparticle pairs via direct pair production or (less often) by photon photon scattering events that lower the incident photon energies. This renders the universe effectively opaque to very high energy photons at intergalactic to cosmological distances.
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.
Two photon physics can be studied with high energy particle accelerators, where the accelerated particles are not the photons themselves but charged particles that will radiate photons. The most significant studies so far were performed at the Large Electron–Positron Collider (LEP) at CERN. If the transverse momentum transfer and thus the deflection is large, one or both electrons can be detected; this is called tagging. The other particles that are created in the interaction are tracked by large detectors to reconstruct the physics of the interaction. Frequently, photon photon interactions will be studied via ultraperipheral collisions (UPCs) of heavy ions, such as gold or lead. These are collisions in which the colliding nuclei do not touch each other; i. e., the impact parameter is larger than the sum of the radii of the nuclei. The strong interaction between the quarks composing the nuclei is thus greatly suppressed, making the weaker electromagnetic interaction much more visible. In UPCs, because the ions are heavily charged, it is possible to have two independent interactions between a single ion pair, such as production of two electron positron pairs. UPCs are studied with the STARlight simulation code. Light by light scattering, as predicted in, can be studied using the strong electromagnetic fields of the hadrons collided at the LHC, it has first been seen in 2016 by the ATLAS collaboration and was then confirmed by the CMS collaboration., including at high two photon energies. The best previous constraint on the elastic photon–photon scattering cross section was set by PVLAS, which reported an upper limit far above the level predicted by the Standard Model. Observation of a cross section larger than that predicted by the Standard Model could signify new physics such as axions, the search of which is the primary goal of PVLAS and several similar experiments.