ฟิสิกส์สองโฟตอน

ฟิสิกส์สองโฟตอนหรือที่เรียกว่าฟิสิกส์แกมมา-แกมมาเป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์อนุภาคที่อธิบายปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฟตอน สองตัว โดยปกติแล้ว ลำแสงจะผ่านกันไปโดยไม่ถูกรบกวน แต่ภายในวัสดุทางแสง หากความเข้มของลำแสงสูงเพียงพอ ลำแสงอาจส่งผลกระทบต่อกันผ่านปรากฏการณ์ทางแสงแบบไม่เชิงเส้น ต่างๆ ในสุญญากาศบริสุทธิ์ จะมีการกระเจิงของแสงโดยแสงอย่างอ่อนๆ เกิดขึ้นด้วย นอกจากนี้ เมื่อ พลังงานศูนย์กลางมวลของระบบโฟตอนสอง ตัวนี้สูงกว่าเกณฑ์บาง ค่า สสารก็สามารถเกิดขึ้นได้

ดาราศาสตร์

รังสีแกมมาในจักรวาล/ระหว่างกาแล็กซี

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฟตอนกับโฟตอนจำกัดสเปกตรัมของโฟตอนรังสีแกมมาที่สังเกตได้ในระยะทางจักรวาลวิทยาปานกลางให้มีพลังงานโฟตอนต่ำกว่าประมาณ 20 GeVนั่นคือมีความยาวคลื่นมากกว่าประมาณ6.2 × 10 ⁻¹¹ ม . ขีดจำกัดนี้สูงถึงประมาณ 20 TeVที่ระยะทางระหว่างกาแล็กซีเท่านั้น ^{[ 1 ]}การเปรียบเทียบคือแสงที่เดินทางผ่านหมอก: ที่ระยะใกล้แหล่งกำเนิดแสงจะมองเห็นได้ชัดเจนกว่าที่ระยะไกลเนื่องจากการกระเจิงของแสงโดยอนุภาคหมอก ในทำนองเดียวกัน ยิ่งรังสีแกมมาเดินทางผ่านจักรวาลไกลเท่าใด ก็ยิ่งมีโอกาสที่จะกระเจิงจากการปฏิสัมพันธ์กับโฟตอนพลังงานต่ำจากแสงพื้นหลังนอกกาแล็กซีมาก ขึ้นเท่านั้น

ที่ระดับพลังงานและระยะทางดังกล่าว โฟตอนรังสีแกมมาพลังงานสูงมากมีโอกาสสูงที่จะเกิดปฏิกิริยาระหว่างโฟตอนกับโฟตอนพลังงานต่ำจากแสงพื้นหลังนอกกาแล็กซี ส่งผลให้เกิดการสร้างคู่ของอนุภาคและปฏิอนุภาคโดยตรง หรือ (น้อยกว่า) โดยเหตุการณ์การกระเจิงระหว่างโฟ ตอนซึ่งจะลดพลังงานของโฟตอนที่ตกกระทบลง ทำให้เอกภพมีความทึบแสงต่อโฟตอนพลังงานสูงมากในระยะทางระหว่างกาแล็กซีไปจนถึงระยะทางระดับจักรวาล

การทดลอง

ฟิสิกส์ของโฟตอนสองตัวสามารถศึกษาได้ด้วย เครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูงโดยที่อนุภาคที่ถูกเร่งนั้นไม่ใช่โฟตอนเอง แต่เป็นอนุภาคที่มีประจุซึ่งจะแผ่รังสีโฟตอนออกมา การศึกษาที่สำคัญที่สุดจนถึงปัจจุบันดำเนินการที่เครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอน-โพซิตรอนขนาดใหญ่ (LEP) ที่CERNหาก การถ่ายโอน โมเมนตัม ตามแนวขวาง และการเบี่ยงเบนมีขนาดใหญ่ อิเล็กตรอนตัวใดตัวหนึ่งหรือทั้งสองตัวสามารถตรวจจับได้ ซึ่งเรียกว่าการติดแท็ก อนุภาคอื่นๆ ที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาจะถูกติดตามโดยเครื่องตรวจจับ ขนาดใหญ่ เพื่อสร้างฟิสิกส์ของปฏิกิริยานั้นขึ้นมาใหม่

บ่อยครั้ง ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฟตอนกับโฟตอนจะถูกศึกษาผ่านการชนแบบอัลตร้าเพอริเฟอรัล (UPCs) ^{[ 2 ]}ของไอออนหนัก เช่น ทองคำหรือตะกั่ว การชนเหล่านี้เป็นการชนที่นิวเคลียสที่ชนกันไม่สัมผัสกัน กล่าวคือพารามิเตอร์การกระทบ มีขนาดใหญ่กว่าผลรวมของรัศมีของนิวเคลียส ดังนั้น ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงระหว่างควาร์กที่ประกอบเป็นนิวเคลียสจึงถูกยับยั้งอย่างมาก ทำให้ ปฏิสัมพันธ์ ทางแม่เหล็กไฟฟ้า ที่อ่อนกว่า นั้นมองเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้น ใน UPCs เนื่องจากไอออนมีประจุมาก จึงเป็นไปได้ที่จะมีปฏิสัมพันธ์อิสระสองอย่างระหว่างคู่ไอออนเดียว เช่น การผลิตคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอนสองคู่ UPCs ได้รับการศึกษาด้วยรหัสจำลอง STARlight $b$ $\gamma \gamma$

การกระเจิงแสงต่อแสง ตามที่คาดการณ์ไว้ใน^{[ 3 ]}สามารถศึกษาได้โดยใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่รุนแรงของแฮดรอนที่ชนกันที่ LHC ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}ซึ่งได้รับการสังเกตครั้งแรกในปี 2016 โดยความร่วมมือ ของ ATLAS ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}และได้รับการยืนยันโดยความร่วมมือของ CMS ^{[ 8 ]}รวมถึงที่พลังงานสองโฟตอนสูง^{[ 9 ]} ข้อจำกัดที่ดีที่สุดก่อนหน้านี้เกี่ยวกับ ภาคตัดขวางการกระเจิงโฟตอน-โฟตอนแบบยืดหยุ่นถูกกำหนดโดยPVLASซึ่งรายงานขีดจำกัดบนที่สูงกว่าระดับที่คาดการณ์โดย แบบ จำลองมาตรฐาน มาก ^{[ 10 ]}การสังเกตภาคตัดขวางที่ใหญ่กว่าที่คาดการณ์โดยแบบจำลองมาตรฐานอาจบ่งชี้ถึงฟิสิกส์ใหม่ เช่นแอก ซิออน ซึ่งการค้นหาแอกซิออนเป็นเป้าหมายหลักของ PVLAS และการทดลองที่คล้ายกันอีกหลายครั้ง

กระบวนการ

จากควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์พบว่าโฟตอนไม่สามารถจับคู่กันโดยตรงและสนามเฟอร์มิออนตามทฤษฎีบทแลนเดา-หยาง^{[ 11 ]}เนื่องจากไม่มีประจุและไม่มีจุดยอด 2 เฟอร์มิออน + 2 โบซอนเนื่องจากข้อกำหนดของการปรับค่าใหม่ได้ แต่สามารถมีปฏิสัมพันธ์กันผ่านกระบวนการลำดับสูงกว่าหรือจับคู่กันโดยตรงในจุดยอดที่มีโบซอน W เพิ่มอีกสองตัว: โฟตอนสามารถผันผวนเป็นคู่เฟอร์มิออน -แอนติเฟอร์มิออน ที่มีประจุเสมือนได้ ภายในขอบเขตของหลักการความไม่แน่นอน ซึ่งโฟตอนอีกตัวสามารถจับคู่กับคู่ใดคู่หนึ่งได้ คู่เฟอร์มิออนนี้อาจเป็นเลปตอนหรือควาร์ก ดังนั้น การทดลองฟิสิกส์สองโฟตอนจึงสามารถใช้เป็นวิธีศึกษาโครงสร้างของโฟตอนหรือในเชิงเปรียบเทียบว่ามีอะไรอยู่ "ภายใน" โฟตอน

โฟตอนจะผันผวนกลายเป็นคู่เฟอร์มิออน-แอนติเฟอร์มิออน

มีกระบวนการปฏิสัมพันธ์อยู่สามแบบ:

โดยตรงหรือแบบจุด : โฟตอนจะเชื่อมต่อโดยตรงกับควาร์กภายในโฟตอนเป้าหมาย^{[ 12 ]}หาก มีการสร้างคู่ เลปตอน -แอนติเลปตอน กระบวนการนี้จะเกี่ยวข้องกับควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์ (QED) เท่านั้น แต่หาก มีการสร้างคู่ ควาร์ก-แอนติควาร์ก จะเกี่ยวข้องกับทั้ง QED และควอนตัมโครโมไดนามิกส์ แบบรบกวน (QCD) ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}

ปริมาณควาร์กที่แท้จริงของโฟตอนอธิบายโดยฟังก์ชันโครงสร้างโฟตอนซึ่งได้รับการวิเคราะห์เชิงทดลองในการกระเจิงอิเล็กตรอน-โฟตอนแบบไม่ยืดหยุ่นอย่างลึกซึ้ง^{[ 16 ]}^{[ 17 ]}

ควา ร์กคู่ของโฟตอนเป้าหมายก่อตัวเป็นเวกเตอร์เมซอนโฟตอนที่ใช้ในการตรวจสอบจะจับคู่กับส่วนประกอบหนึ่งของเมซอนนี้
การแยกแบบคู่ : ทั้งโฟตอนเป้าหมายและโฟตอนตรวจสอบได้ก่อตัวเป็นเวกเตอร์เมซอน ซึ่งส่งผลให้เกิดปฏิสัมพันธ์ระหว่างแฮดรอนสองตัว

สำหรับสองกรณีหลัง ขนาดของการปฏิสัมพันธ์นั้นทำให้ค่าคงที่ของการเชื่อมต่อที่แข็งแกร่งมีค่ามาก ซึ่งเรียกว่าการครอบงำของเวกเตอร์เมซอน (VMD) และต้องจำลองใน QCD แบบไม่รบกวน

ดูเพิ่มเติม

การแผ่รังสี แบบแชนเนลลิ่งได้รับการพิจารณาว่าเป็นวิธีการหนึ่งในการสร้างลำแสงโฟตอนพลังงานสูงที่มีการโพลาไรซ์สำหรับเครื่องเร่งอนุภาคแกมมา-แกมมา
การสร้างสสาร
การผลิตคู่
การกระเจิงของเดลบรุค
กระบวนการไบรท์-วีลเลอร์

ลิงก์ภายนอก

Lauber, JA, 1997, บทช่วยสอนเล็กๆ ในคลังฟิสิกส์แกมมา– แกมมา
ฟิสิกส์สองโฟตอนที่ LEP
ฟิสิกส์สองโฟตอนที่คลังข้อมูล CESR

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]