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 rayos de luz pasan uno a través del otro sin perturbaciones. 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 cierta dispersión débil de la luz por la luz. Además, por encima de cierto 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 fotón por debajo de alrededor de 20  GeV , es decir, a una longitud de onda de más de 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 una niebla: a distancias cercanas una fuente de luz es más claramente visible que a distancias largas 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 se disperse 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 proveniente de la luz de fondo extragaláctica, lo que resulta en la creación de pares partícula-antipartícula a través de la producción directa de pares o (con menor 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 emitirán 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 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 estudian mediante colisiones ultraperiféricas (UPC) ^[2] 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. De este modo, la interacción fuerte 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 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 electrón-positrón. Las UPC se estudian con el código de simulación STARlight .${\estilo de visualización b}$ ${\displaystyle \gamma \gamma }$

La dispersión luz a luz, como se predijo en ^[3], se puede estudiar utilizando los fuertes campos electromagnéticos de los hadrones que colisionaron en el LHC, ^{[4] [5]} se vio por primera vez en 2016 por la colaboración ATLAS ^{[6] [7]} y luego fue confirmada por la colaboración CMS ^[8] , incluso a altas energías de dos fotones. ^[9] 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 . ^[10] La observación de una sección transversal más grande que la predicha por el Modelo Estándar podría significar nueva física como los axiones , cuya búsqueda es el objetivo principal de PVLAS y varios experimentos similares.

A partir de la electrodinámica cuántica se puede encontrar que los fotones no pueden acoplarse directamente entre sí y a un campo fermiónico según el teorema de Landau-Yang ^[11] ya que no tienen carga y no existe ningún vértice de 2 fermiones + 2 bosones debido a los requisitos de renormalizabilidad, 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 virtual cargado fermión -antifermión, a cualquiera de los cuales el otro fotón puede acoplarse. 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. ^[12] Si se crea un par leptón -antileptón, este proceso involucra solo electrodinámica cuántica (QED), pero si se crea un par quark -antiquark, involucra tanto QED como cromodinámica cuántica perturbativa (QCD). ^{[13] [14] [15]}

El contenido intrínseco de quarks del fotón se describe mediante la función de estructura del fotón , analizada experimentalmente en dispersión electrón-fotón profundamente inelástica. ^{[16] [17]}

• 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 de la sonda han formado un mesón vectorial. Esto da como resultado una interacción entre dos hadrones.

En los dos últimos casos, la escala de la interacción es tal que la constante de acoplamiento fuerte es grande. Esto se denomina dominancia del mesón vectorial (VMD) y debe modelarse en QCD no perturbativo.

• La canalización de la radiación se ha considerado como un método para generar haces de fotones polarizados de alta energía para colisionadores gamma-gamma.
• Creación de materia
• Producción en pareja
• Dispersión de Delbrück
• Proceso Breit-Wheeler

• Lauber, JA, 1997, Un pequeño tutorial en el Archivo de Física gamma-gamma
• Física de dos fotones en LEP
• Física de dos fotones en el Archivo CESR