雙光子物理學

雙光子物理（又稱雙伽馬物理）是粒子物理學中描述兩個光子間相互作用的一個分支。一般來說，光束在發生交叉時並不會發生擾動。在一些特定的光學材料中，如果光束的強度足夠高，那么這些光束就可以通過一系列的非線性效應彼此影響。在純真空的環境中，如果雙光子系統的質心能量足夠大，那么就會發生由光引起的較弱的光散射。另外，如果該能量高於某一閾值，部分能量就會轉化為新的物質。

基本介紹

• 中文名：雙光子物理學
• 又稱：雙伽馬物理
• 領域：加速器

天文學現象

由於雙光子散射的原因，可觀測的伽馬射線譜的能量都會低於80TeV。造成散射的光子通常來自宇宙微波背景輻射。在兩個光子的不變質量靜止的參考系中，兩個光子都是具有足以產生電子-反電子對能量的γ射線。

實驗研究

雙光子物理學可以藉助高能粒子對撞機來進行研究，其中加速的粒子並不是光子本身，而是可以輻射光子的帶電粒子。歐洲核子研究組織的大型電子正子對撞機曾進行過相關研究。如果橫向動量發生移動且撓度足夠大時，所產生的電子中的一個甚或是兩個都有可能被探測到。另外一些在相互作用中產生的粒子會被大型粒子探測器追蹤，以重建相互作用的整體過程。

雙光子相互作用還常通過像金、鉛這樣的重離子發生的超周邊碰撞來研究。在這種碰撞中，發生碰撞的離子的核並不會相互接觸，也就是說撞擊參數會比核半徑之和要大。構成核子的夸克間的強相互作用會被大大壓縮，使得較弱的電磁相互作用更易被觀察到。

由光引起的光散射尚沒有被直接觀測到。截至2012年，有關彈性光子-光子散射截面約束最好的觀測結果是由PVLAS得到的，其報告的上限遠高於標準模型的預測。有些研究者提議利用大型強子對撞機在強電磁場中觀測彈性散射。所觀測到的遠大於標準模型預期的散射截面可能是軸子這樣的仍是假想模型的粒子導致的。

散射過程

依據量子電動力學，由於不帶電荷，光子間並不能直接耦合，但它們可以通過更為高階的過程發生相互作用。一個光子可以在不確定性原理所要求的範圍內漲落成為費米子-反費米子對，並由此與另一個發生此過程的光子耦合。其中的費米子可以是輕子或夸克。因而雙光子物理學的實驗可以用來探測光子的結構。

散射可以通過以下三種過程進行：

• “直接散射”或“類點散射”：光子與靶光子內部的夸克直接耦合。如果這一過程產生的是輕子-反輕子對，那么相關過程只利用量子電動力學就能解釋，但如果產生的是夸克-反夸克對，那么其還需要微擾量子色動力學才能解釋。光子內部的夸克構成可以通過光子結構函式來描述。實驗上，這個函式可以通過高度非彈性電子-光子散射來進行分析。
• “單分解散射”：靶光子的夸克對形成矢量介子。探針光子與這個介子的組分耦合。
• “雙分解散射”：靶光子與探針光子都形成矢量介子，由此引起兩個強子間的相互作用。

對於後兩種情況，相互作用的強耦合常數都較大。這種現象叫作“矢量介子主導”，是非微擾量子色動力學的一種模型。