فيزياء الفوتونين

فيزياء الفوتونين ، أو فيزياء غاما-غاما ، هي فرع من فيزياء الجسيمات يصف التفاعلات بين فوتونين . في الوضع الطبيعي، تمر حزم الضوء عبر بعضها دون أن تتأثر. داخل مادة بصرية، وإذا كانت شدة الحزم عالية بما يكفي، فقد تؤثر الحزم على بعضها من خلال مجموعة متنوعة من التأثيرات البصرية غير الخطية . في الفراغ التام، يوجد أيضًا تشتت ضعيف للضوء بواسطة الضوء. كذلك، عند تجاوز عتبة معينة لطاقة مركز كتلة نظام الفوتونين، يمكن خلق المادة .

يمكن دراسة فيزياء الفوتونين باستخدام مسرعات الجسيمات عالية الطاقة ، حيث لا تكون الجسيمات المتسارعة هي الفوتونات نفسها، بل جسيمات مشحونة تشع فوتونات. وقد أُجريت أهم الدراسات حتى الآن في مصادم الإلكترون-بوزيترون الكبير (LEP) في مركز سيرن . إذا كان نقل الزخم العرضي ، وبالتالي الانحراف ، كبيرًا، يمكن رصد أحد الإلكترونين أو كليهما؛ وتُسمى هذه العملية بالرصد. أما الجسيمات الأخرى المتولدة في التفاعل، فتُرصد بواسطة كواشف ضخمة لإعادة بناء فيزياء التفاعل.

غالبًا ما تُدرس تفاعلات الفوتون-فوتون عبر تصادمات فائقة المحيط (UPCs) ^{[ 2 ]} للأيونات الثقيلة، مثل الذهب أو الرصاص. هذه تصادمات لا تتلامس فيها النوى المتصادمة؛ أي أن معامل التصادم${\displaystyle b}$أكبر من مجموع أنصاف أقطار النوى. وبالتالي، يتم كبح التفاعل القوي بين الكواركات المكونة للنوى بشكل كبير، مما يجعل المجال الكهرومغناطيسي أضعف.${\displaystyle \gamma \gamma }$التفاعل أكثر وضوحًا. في تفاعلات الفوتونات فائقة الشحنة (UPCs)، نظرًا لأن الأيونات مشحونة بشدة، فمن الممكن حدوث تفاعلين مستقلين بين زوج أيوني واحد، مثل إنتاج زوجين من الإلكترونات والبوزيترونات. تُدرس تفاعلات الفوتونات فائقة الشحنة باستخدام برنامج المحاكاة STARlight .

يمكن دراسة تشتت الضوء بالضوء، كما هو متوقع في المرجع ^{[ 3 ]،} باستخدام المجالات الكهرومغناطيسية القوية للهادرونات المتصادمة في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) ^{[ 4 ] [ 5 ].} وقد رُصد هذا التشتت لأول مرة عام 2016 من قِبل فريق ATLAS ^{[ 6 ] [ 7 ]} ، ثم أكده فريق CMS ^{[ 8 ]} ، بما في ذلك عند طاقات الفوتونين العالية ^{[ 9 ]} . وقد وضع PVLAS أفضل قيد سابق على المقطع العرضي لتشتت الفوتون المرن ، حيث أبلغ عن حد أعلى بكثير من المستوى الذي تنبأ به النموذج القياسي ^{[ 10 ]} . ويمكن أن يشير رصد مقطع عرضي أكبر من ذلك الذي تنبأ به النموذج القياسي إلى وجود فيزياء جديدة مثل الأكسيونات ، والتي يُعد البحث عنها الهدف الرئيسي لـ PVLAS والعديد من التجارب المماثلة.

من خلال الديناميكا الكهربائية الكمومية، يتضح أن الفوتونات لا يمكنها أن تتفاعل مباشرةً مع بعضها البعض ومع مجال فرميوني وفقًا لنظرية لانداو-يانغ ^{[ 11 ]،} نظرًا لعدم حملها أي شحنة، وعدم وجود رأس تفاعل مكون من 2 فرميون + 2 بوزون بسبب متطلبات إعادة التطبيع. مع ذلك، يمكنها التفاعل عبر عمليات من رتبة أعلى أو التفاعل مباشرةً مع بعضها البعض في رأس تفاعل مع بوزونين إضافيين من نوع W: يمكن للفوتون، ضمن حدود مبدأ عدم اليقين، أن يتقلب إلى زوج افتراضي مشحون من فرميون -مضاد فرميون، يمكن للفوتون الآخر أن يتفاعل مع أي منهما. يمكن أن يكون زوج الفرميون هذا من الليبتونات أو الكواركات. بالتالي، يمكن استخدام تجارب فيزياء الفوتونين كوسيلة لدراسة بنية الفوتون ، أو، بشكل مجازي، ما هو "داخل" الفوتون.

توجد ثلاث عمليات تفاعل:

• مباشر أو نقطي : يقترن الفوتون مباشرةً بكوارك داخل الفوتون المستهدف. ^{[ 12 ]} إذا تم تكوين زوج من الليبتون -الليبتون المضاد، فإن هذه العملية تتضمن فقط الديناميكا الكهربائية الكمومية (QED)، ولكن إذا تم تكوين زوج من الكوارك -الكوارك المضاد، فإنها تتضمن كلاً من الديناميكا الكهربائية الكمومية والديناميكا اللونية الكمومية الاضطرابية (QCD). ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

يُوصَف المحتوى الجوهري للكواركات في الفوتون بواسطة دالة بنية الفوتون ، والتي تم تحليلها تجريبياً في تشتت الإلكترون-الفوتون غير المرن العميق. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

• التحليل الفردي : يشكل زوج الكواركات للفوتون المستهدف ميزونًا متجهًا . يقترن فوتون التحقيق بأحد مكونات هذا الميزون.
• تم تحديدها بشكل مزدوج : شكل كل من الفوتون المستهدف وفوتون المسبار ميزونًا متجهًا. ينتج عن ذلك تفاعل بين هادرونين.

في الحالتين الأخيرتين، يكون نطاق التفاعل كبيرًا لدرجة أن ثابت الاقتران القوي يكون كبيرًا. يُطلق على هذا اسم هيمنة الميزون المتجهي (VMD) ويجب نمذجته في نظرية الكروموديناميكا الكمية غير الاضطرابية.

• تم اعتبار توجيه الإشعاع طريقة لتوليد حزم الفوتونات المستقطبة عالية الطاقة لمصادمات جاما-جاما.
• خلق المادة
• إنتاج الأزواج
• تشتت ديلبروك
• عملية بريت-ويلر

• لاوبر، جا، 1997، برنامج تعليمي صغير في أرشيف فيزياء جاما-غاما
• فيزياء الفوتونين في مسرع الإلكترونات والبوزيترونات الكبير (LEP).
• فيزياء الفوتونين في أرشيف مركز أبحاث العلوم الاجتماعية