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De aceleradores de partículas a viagens interestelares: como os cientistas exploram a estrutura oculta dos fótons?
Entre os muitos ramos da física, a física de dois fótons (ou física gama-gama) é um campo de pesquisa relativamente novo. Ele se concentra na interação entre dois fótons, um processo crucial para entender a natureza da luz e tem implicações importantes para explicar fenômenos físicos fundamentais no universo.
Normalmente, os feixes de luz passam uns pelos outros sem perturbações no vácuo, mas em interações de feixes de luz de alta intensidade, as coisas são completamente diferentes.
No vácuo puro, existe uma fraca dispersão de luz pela luz, permitindo aos cientistas estudar as propriedades dos fótons sob certas condições. Essa interação também pode levar à criação de matéria à medida que a energia da massa central aumenta. Essas descobertas não apenas atraíram atenção significativa no campo da física de partículas, mas também promoveram uma compreensão mais profunda da cosmologia.
Raios gama na astronomia
Na cosmologia, as interações fóton-fóton impõem restrições diretas ao espectro de raios gama observado. À medida que os raios gama viajam pelo Universo, suas energias nunca excedem cerca de 20 GeV, o que corresponde a comprimentos de onda maiores que cerca de 6,2×10-11 m. Em distâncias maiores, esse limite aumenta para cerca de 20 TeV, o que significa que no ambiente de longa distância do universo, os raios gama são espalhados e atenuados em grande medida.
À medida que os fótons viajam pelo universo, eles interagem com fótons de baixa energia da luz de fundo cósmica, o que reduz sua energia e pode formar pares partícula-antipartícula.
Por meio dessas interações, a visibilidade do Universo para fótons de altíssima energia é bastante reduzida, fazendo com que o Universo pareça "opaco" em escalas maiores. Tais fenômenos levaram os cientistas a pensar profundamente sobre a relação entre fótons e estrutura cósmica, e questões mais profundas surgiram: como os fótons em galáxias e supernovas tão distantes afetam nossa compreensão da evolução do universo?
Experimento e seus métodos
A pesquisa em física de dois fótons geralmente depende de aceleradores de partículas de alta energia. Nesses experimentos, não são os fótons que são acelerados, mas as partículas carregadas. Instalações como o Grande Colisor de Elétrons e Pósitrons (LEP) e o Grande Colisor de Hádrons (LHC) desempenharam um papel importante no estudo dessas interações.
Em colisões de alta energia, como colisões ultracirculares de íons pesados (UPCs), os cientistas conseguem observar vários fenômenos associados aos raios gama, incluindo a dispersão de luz.
Os elétrons e pósitrons nessas colisões podem ser detectados, o que é chamado de "marcação". Outras partículas criadas no experimento são rastreadas usando grandes detectores para reconstruir a física da interação. Por meio desses experimentos, os cientistas podem não apenas observar as interações dos fótons, mas também explorar mais a fundo a estrutura interna dos fótons.
Progresso da pesquisa de estruturas fotônicas
De acordo com a teoria da eletrodinâmica quântica, os fótons não podem interagir entre si diretamente, mas sim por meio de processos de ordem superior. Por exemplo, um fóton pode flutuar em um par de partículas virtuais carregadas dentro de um determinado período de tempo através do princípio da incerteza. Esse processo se torna a chave para entender a estrutura dos fótons.
As interações dos fótons são divididas em três categorias: interação direta, resolução singlete e resolução doublete, que revelam o mecanismo interno dos fótons e sua relação com outras partículas.
Durante a interação direta, o fóton e os quarks dentro do fóton alvo interagem diretamente entre si. No processo de solução dupla, ambos os fótons formaram múons vetoriais, apresentando características de interação mais complexas. Essas descobertas têm implicações profundas para a exploração dos limites do Modelo Padrão e para novos fenômenos na física de raios gama.
Exploração futura e seu significado
Com o desenvolvimento da tecnologia, os cientistas podem explorar mais profundamente a estrutura oculta dos fótons e repensar seu papel e significado no universo. No futuro, esses estudos podem revelar novos fenômenos físicos fundamentais, especialmente mais informações sobre a matéria escura e a evolução do universo.
No geral, a física de dois fótons não apenas enriquece nossa compreensão do mundo das partículas, mas também desafia nossa compreensão do universo. Entretanto, em pesquisas tão profundas, ainda podemos enfrentar mais questões sem solução: as informações transportadas pelos fótons durante as viagens interestelares podem revelar os mistérios profundos do universo?
