Interaction photon-photon

Diagramme de Feynman de la diffusion d'un photon par le photon issu des fluctuations du vide quantique.

L' interaction photon-photon est la diffusion d'un photon par un autre photon, sous l'effet de hautes énergies dans le vide et avec création de particules virtuelles.

Processus

L'électrodynamique quantique montre que les photons ne peuvent pas se coupler directement entre eux et à un champ fermionique, conformément au théorème de Yang-Landau[1],[2],[3], car ils ne portent aucune charge et il n'existe pas de sommet d'un diagramme de Feynman comportant 2 fermions et 2 bosons en raison des exigences de renormalisation. Cependant, ils peuvent interagir par des processus d'ordre supérieur ou se coupler directement entre eux dans un sommet comportant deux bosons W supplémentaires. En effet un photon peut, dans les limites du principe d'incertitude, fluctuer en une paire fermion-antifermion chargée virtuelle avec laquelle l'autre photon peut interagir. Cette paire de fermions peut être constituée de leptons ou de quarks. Ainsi, les expériences de physique à deux photons peuvent servir à étudier la structure du photon, ou, de manière métaphorique, ce qui se trouve « à l'intérieur » du photon.

Le photon fluctue en une paire fermion-antifermion.
Création d'une paire fermion-antifermion par interaction directe à deux photons.

Il existe trois processus d'interaction :

  • « Direct » ou « ponctuel » : le photon se couple directement à un quark à l'intérieur du photon cible[4]. Si une paire lepton–antilepton est créée, ce processus relève uniquement de l'électrodynamique quantique, mais si une paire quark–antiquark est créée, il implique à la fois l'électrodynamique et la chromodynamique quantique perturbative[5],[6],[7].

La teneur intrinsèque en quarks du photon est décrite par la fonction de structure du photon (en), montrée expérimentalement dans des expériences diffusion électron-photon inélastique[8],[9].

  • Configuration simple : la paire de quarks du photon cible forme un méson vecteur. Le photon sonde se couple à un constituant de ce méson.
  • Configuration double : les photons cible et sonde ont tous deux formé un méson vecteur. Il en résulte une interaction entre deux hadrons.

Dans les deux derniers cas, l'échelle de l'interaction est telle que la constante de couplage fort est élevée. Ceci est appelé « dominance du méson vectoriel (en) » et doit être modélisé en chromodynamique quantique non perturbative.

Cosmologie : rayons gamma cosmologiques/intergalactiques

Les interactions photon-photon limitent le spectre des photons gamma observés à des distances cosmologiques modérées, à une énergie photonique inférieure à environ 20 GeV, c'est-à-dire à une longueur d'onde supérieure à environ 6,2 × 10−11 m. Cette limite atteint environ 20 TeV aux distances intergalactiques[10]. On pourrait prendre l'exemple de la lumière traversant un brouillard : à courte distance, une source lumineuse est plus visible qu'à longue distance du fait de la diffusion de la lumière par les particules de brouillard. De même, plus un rayon gamma parcourt de longues distances dans l'univers, plus il est susceptible d'être diffusé par une interaction avec un photon de faible énergie provenant de la lumière d'arrière-plan extragalactique. Cette interaction se traduit soit par la création de paires particule-antiparticule par production directe de paires, soit (plus rarement) par des phénomènes de diffusion photon-photon qui abaissent l'énergie des photons incidents. Cela rend l'univers opaque aux photons de très haute énergie pour des distances intergalactiques et cosmologiques.

Expériences

La physique à deux photons peut être étudiée grâce à des accélérateurs de particules à haute énergie où les particules accélérées ne sont pas les photons eux-mêmes mais des particules chargées qui émettront des photons. Les études les plus significatives à ce jour ont été réalisées au grand collisionneur électron-positron du CERN. Si le transfert de masse transverse et donc la déviation (physique) sont importants un ou les deux électrons peuvent être détectés ; on parle alors de marquage. Les autres particules créées lors de l'interaction sont suivies par de grands détecteurs de particules afin de reconstituer la physique de l'interaction.

Les interactions photon-photon sont fréquemment étudiées par collisions ultrapériphériques[11] d'ions lourds tels que l'or ou le plomb. Il s'agit de collisions où les noyaux en collision ne se touchent pas ; autrement dit, le paramètre d'impact est supérieur à la somme des rayons des noyaux. L'interaction forte entre les quarks composant les noyaux est ainsi fortement atténuée, rendant l'interaction électromagnétique photon-photon, plus faible, beaucoup plus visible. Dans ces collisions la forte charge des ions permet deux interactions indépendantes entre une même paire d'ions comme la production de deux paires électron-positon.

La diffusion photon-photon[12] peut être étudiée en utilisant les champs électromagnétiques intenses des hadrons entrés en collision au Large Hadron Collider[13],[14] où elle a été observée pour la première fois en 2016 par la collaboration ATLAS[15],[16] et a ensuite été confirmée par la collaboration CMS[17], y compris à des énergies élevées à deux photons[18]. La meilleure contrainte sur la valeur basse de la section efficace de diffusion élastique photon–photon a été établie par PVLAS, qui a évalué une limite supérieure bien supérieure au niveau prédit par le modèle standard[19].

Références

  1. ↑ (en) Jan A. Lauber, « A small tutorial in gamma-gamma Physics », sur UCL,
  2. ↑ J.-C. Montret, « Les collisions photon-photon », Bulletin de l'Union des Physiciens, no 662,‎ , p. 797-802 (lire en ligne)
  3. ↑ (en) Igor P. Ivanov, Valeriy G. Serbo et Pengming Zhang, « Fate of the Landau-Yang theorem for twisted photons », ArXiv,‎ (lire en ligne)
  4. ↑ (en) T.F. Walsh et P. Zerwas, « Two-photon processes in the parton model », Physics Letters B, Elsevier BV, vol. 44, no 2,‎ , p. 195–198 (ISSN 0370-2693, DOI 10.1016/0370-2693(73)90520-0, Bibcode 1973PhLB...44..195W)
  5. ↑ (en) Edward Witten, « Anomalous cross section for photon-photon scattering in gauge theories », Nuclear Physics B, Elsevier BV, vol. 120, no 2,‎ , p. 189–202 (ISSN 0550-3213, DOI 10.1016/0550-3213(77)90038-4, Bibcode 1977NuPhB.120..189W)
  6. ↑ (en) William A. Bardeen et Andrzej J. Buras, « Higher-order asymptotic-freedom corrections to photon-photon scattering », Physical Review D, American Physical Society, vol. 20, no 1,‎ , p. 166–178 (ISSN 0556-2821, DOI 10.1103/physrevd.20.166, Bibcode 1979PhRvD..20..166B)
  7. ↑ (en) William A. Bardeen et Andrzej J. Buras, « Erratum: Higher-order asymptotic-freedom corrections to photon-photon scattering », Physical Review D, American Physical Society, vol. 21, no 7,‎ , p. 2041 (ISSN 0556-2821, DOI 10.1103/physrevd.21.2041 Accès libre, Bibcode 1980PhRvD..21.2041B)
  8. ↑ (en) P. Achard, « Measurement of the photon structure function F2γ with the L3 detector at LEP », Physics Letters B, vol. 622, nos 3–4,‎ , p. 249–264 (ISSN 0370-2693, DOI 10.1016/j.physletb.2005.07.028, Bibcode 2005PhLB..622..249A, arXiv hep-ex/0507042, S2CID 119346514)
  9. ↑ (en) Richard Nisius, « The photon structure from deep inelastic electron–photon scattering », Physics Reports, vol. 332, nos 4–6,‎ , p. 165–317 (ISSN 0370-1573, DOI 10.1016/s0370-1573(99)00115-5, Bibcode 2000PhR...332..165N, arXiv hep-ex/9912049, S2CID 119437227)
  10. ↑ (en) Alberto Franceschini, « Photon–Photon Interactions and the Opacity of the Universe in Gamma Rays », Univers, vol. 7, no 5,‎ (DOI 10.3390/universe7050146 Accès libre, Bibcode 2021Univ....7..146F, hdl 11577/3396105 Accès libre)
  11. ↑ (en) C. A. Bertulani et G. Baur, « Relativistic Heavy Ion Physics without Nuclear Contact », Physics Today,‎ , p. 22
  12. ↑ (en) G. Baur et C. A. Bertulani, « Electromagnetic physics at relativistic heavy ion colliders: for worst and for better », Nuclear Physics A, vol. 505,‎ , p. 835
  13. ↑ (en) David d'Enterria et Gustavo G. da Silveira, « Observing Light-by-Light Scattering at the Large Hadron Collider », Physical Review Letters, American Physical Society (APS), vol. 111, no 8,‎ , p. 080405 (ISSN 0031-9007, PMID 24010419, DOI 10.1103/physrevlett.111.080405, Bibcode 2013PhRvL.111h0405D, arXiv 1305.7142, S2CID 43797550)
  14. ↑ (en) Michael Schirber, « Synopsis: Spotlight on Photon-Photon Scattering », Physical Review Letters, vol. 111, no 8,‎ , p. 080405 (PMID 24010419, DOI 10.1103/PhysRevLett.111.080405, Bibcode 2013PhRvL.111h0405D, arXiv 1305.7142, S2CID 43797550)
  15. ↑ (en) « ATLAS spots light-by-light scattering », sur CERN Courier,
  16. ↑ (en) ATLAS Collaboration, « Light-by-light scattering in ultra-peripheral Pb+Pb collisions at √sNN=5.02 TeV with the ATLAS detector at the LHC », sur CERN
  17. ↑ (en) CMS Collaboration, « Evidence for light-by-light scattering and searches for axion-like particles in ultraperipheral PbPb collisions at √sNN=5.02 Tev », Physics Letters B, vol. 797,‎ , p. 134826 (DOI 10.1016/j.physletb.2019.134826, arXiv 1810.04602, S2CID 201698459)
  18. ↑ (en) CMS Collaboration, TOTEM Collaboration, A. Tumasyan, W. Adam, T. Bergauer, M. Dragicevic, J. Erö, A. Escalante Del Valle, R. Frühwirth, M. Jeitler, N. Krammer, L. Lechner, D. Liko, I. Mikulec et F. M. Pitters, « First Search for Exclusive Diphoton Production at High Mass with Tagged Protons in Proton-Proton Collisions at √s=13 Tev », Physical Review Letters, vol. 129, no 1,‎ , p. 011801 (PMID 35841572, DOI 10.1103/PhysRevLett.129.011801 Accès libre, arXiv 2110.05916)
  19. ↑ (en) G. Zavattini, U. Gastaldi, R. Pengo, G. Ruoso, F. Della Valle et E. Milotti, « Measuring the magnetic birefringence of vacuum: the PVLAS experiment », International Journal of Modern Physics A, World Scientific Pub Co Pte Lt, vol. 27, no 15,‎ , p. 1260017 (ISSN 0217-751X, DOI 10.1142/s0217751x12600172, Bibcode 2012IJMPA..2760017Z, arXiv 1201.2309, S2CID 119248772)
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