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{{NoteTA|G1=物理学}}
[[File:Photon-photon scattering.svg|thumb|双光子散射的费曼图：一个光子受到另一个发生瞬时真空电荷涨落的光子影响而发生散射。]]
'''双光子物理'''（Two-photon physics）（又称'''双伽马物理'''）是[[粒子物理学]]中描述两个光子间相互作用的一个分支。一般来说，光束在发生交叉时并不会发生扰动。在一些特定的光学材料中，如果光束的强度足够高，那么这些光束就可以通过一系列的非线性效应彼此影响。在纯[[真空]]的环境中，如果双光子系统的质心能量足够大，那么就会发生由光引起的较弱的光散射。另外，如果该能量高于{{le|施温格尔极限|Schwinger limit|某一阈值}}，部分能量就会转化为[[质能等价|新的物质]]。

==天文学现象==

由于双光子散射的原因，可观测的伽马射线谱的能量都会低于{{val|80|u=[[电子伏|TeV]]}}。造成散射的光子通常来自[[宇宙微波背景辐射]]。在两个光子的[[不变质量]]静止的参考系中，两个光子都是具有足以[[成對產生|产生电子-反电子对]]能量的γ射线。

==实验研究==

双光子物理学可以借助高能粒子对撞机来进行研究，其中加速的粒子并不是光子本身，而是可以辐射光子的带电粒子。[[歐洲核子研究組織]]的[[大型電子正子對撞機]]曾进行过相关研究。如果{{le|横向质量|Transverse mass|横向}}动量发生移动且[[挠度]]足够大时，所产生的电子中的一个甚或是两个都有可能被探测到。另外一些在相互作用中产生的粒子会被大型粒子探测器追踪，以重建相互作用的整体过程。

双光子相互作用还常通过像金、铅这样的重离子发生的超周边碰撞来研究。在这种碰撞中，发生碰撞的离子的核并不会相互接触，也就是说[[撞击参数]]<math>b</math>会比核半径之和要大。构成核子的夸克间的[[强相互作用]]会被大大压缩，使得较弱的电磁<math>\gamma\gamma</math>相互作用更易被观察到。

由光引起的光散射到目前为止尚没有被直接观测到。截至2012年，有关弹性光子-光子[[散射截面]]约束最好的观测结果是由{{le|PVLAS|PVLAS}}得到的，其报告的上限远高于[[标准模型]]的预测。<ref>{{cite journal|language=en|last1=Zavattini|first1=G|last2=Gastaldi|first2=U.|last3=Pengo|first3=R|author4=et al.|title=Measuring the magnetic birefringence of vacuum: the PVLAS experiment|journal=International Journal of Modern Physics A|year=2012|volume=27|issue=15|page=1260017|url=http://arxiv.org/pdf/1201.2309}}</ref>有些研究者提议利用[[大型强子对撞机]]在强电磁场中观测弹性散射。<ref>{{cite journal|language=en|last1=d’Enterria|first1=D.|last2=Da Silveira|first2=G. G.|title=Observing light-by-light scattering at the Large Hadron Collider|journal=Physical review letters|year=2013|volume=111|issue=8|page=080405|url=http://arxiv.org/pdf/1305.7142.pdf|access-date=2016-07-24|archive-date=2021-04-08|archive-url=https://web.archive.org/web/20210408001428/https://arxiv.org/pdf/1305.7142.pdf|dead-url=no}}</ref>所观测到的远大于标准模型预期的散射截面可能是[[軸子]]这样的目前仍是假想模型的粒子导致的。

==散射过程==

依据[[量子电动力学]]，由于不带电荷，光子间并不能直接耦合，但它们可以通过更为高阶的过程发生相互作用。一个光子可以在[[不确定性原理]]所要求的范围内涨落成为[[费米子]]-反费米子对，并由此与另一个发生此过程的光子耦合。其中的费米子可以是[[轻子]]或夸克。因而双光子物理学的实验可以用来探测{{le|光子结构函数|Photon structure function|光子的结构}}。

[[Image:fluctuation.jpg|right|thumbnail|200px|光子发生涨落转化为费米子-反费米子对过程的[[费曼图]]。]]
[[Image:direct.jpg|right|thumbnail|200px|双光子发生直接的相互作用时所产生的费米子-反费米子对。]]

散射可以通过以下三种过程进行：
*“直接散射”或“类点散射”：光子与靶光子内部的夸克直接耦合。<ref>{{cite journal|language=en|last1=Walsh|first1=T. F.|last2=Zerwas|first2=P.|title=Two-photon processes in the parton model|journal=Physics Letters B|year=1973|volume=44|issue=2|pages=195-198|doi=10.1016/0370-2693(73)90520-0}}</ref>如果这一过程产生的是轻子-反轻子对，那么相关过程只利用量子电动力学就能解释，但如果产生的是夸克-反夸克对，那么其还需要微扰[[量子色动力学]]才能解释。<ref>{{cite journal|language=en|last=Witten|first=E.|title=Anomalous cross section for photon-photon scattering in gauge theories|journal=Nuclear Physics B|year=1977|volume=120|issue=2|pages=189-202|doi=10.1016/0550-3213(77)90038-4}}</ref><ref>{{cite journal|language=en|last1=Bardeen|first1=W. A.|last2=Buras|first2=A. J.|title=Higher-order asymptotic-freedom corrections to photon-photon scattering|journal=Physical Review D|year=1979|volume=20|issue=1|page=166|url=http://inspirehep.net/record/132957/files/pub-78-091-T.pdf|access-date=2016-07-24|archive-date=2020-03-23|archive-url=https://web.archive.org/web/20200323040841/http://inspirehep.net/record/132957/files/pub-78-091-T.pdf|dead-url=no}}</ref>光子内部的夸克构成可以通过{{le|光子结构函数|photon structure function}}来描述。实验上，这个函数可以通过高度非弹性电子-光子散射来进行分析。<ref>{{cite journal|language=en|last1=Achard|first1=P.|last2=Adriani|first2=O.|last3=Aguilar-Benitez|first3=M.|author4=et al.|title=Measurement of the photon structure function with the L3 detector at LEP|journal=Physics Letters B|year=2005|volume=622|issue=3|pages=249-264|url=http://arxiv.org/pdf/hep-ex/0507042.pdf}}</ref><ref>{{cite journal|language=en|last=Nisius|first=R.|title=The photon structure from deep inelastic electron–photon scattering|journal=Physics Reports|year=2000|volume=332|issue=4|pages=165-317|url=http://arxiv.org/pdf/hep-ex/9912049}}</ref>
*“单分解散射”：靶光子的夸克对形成{{le|矢量介子|vector meson}}。探针光子与这个介子的组分耦合。
*“双分解散射”：靶光子与探针光子都形成矢量介子，由此引起两个强子间的相互作用。

对于后两种情况，相互作用的强耦合常数都较大。这种现象叫作“矢量介子主导”，是非微扰量子色动力学的一种模型。

==参考资料==
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==外部链接==
*[http://www.hep.ucl.ac.uk/opal/gammagamma/gg-tutorial.html 扬·A·劳伯对双伽马物理学做的讲解]{{Wayback|url=http://www.hep.ucl.ac.uk/opal/gammagamma/gg-tutorial.html |date=20160306123042 }}
*[http://lepqcd.web.cern.ch/LEPQCD/gamma_gamma/Welcome.html 大型電子正子對撞機工作组对双光子物理學做的讲解]{{Wayback|url=http://lepqcd.web.cern.ch/LEPQCD/gamma_gamma/Welcome.html |date=20140318195024 }}
*{{le|CESR|Cornell Electron Storage Ring}}工作组[http://www.lns.cornell.edu/public/CLEO/CLEO3/cleo3/proposal/subsection3_3_4.html 对双光子物理學做的讲解]{{Wayback|url=http://www.lns.cornell.edu/public/CLEO/CLEO3/cleo3/proposal/subsection3_3_4.html |date=20130608024233 }}

{{DEFAULTSORT:双}}
[[Category:粒子物理学]]