Wahrscheinlichkeit einer Photon-zu-Photon-Kollision

2 Photonen mit ausreichender Energie können kollidieren und ein Elektron-Positron-Paar bilden (die sich dann vernichten und ein neues Photonenpaar bilden - mit niedrigerer Energie?). Ich nehme an, das bedeutet, dass sie nicht kollidieren können (nur durcheinander gehen?), wenn sie nicht energisch genug sind? Wie Sie sehen, habe ich viele kleine Teilfragen. Meine Hauptfrage ist jedoch: Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Photonen in einem transparenten Vakuumbehälter kollidieren? Ich vermute, es wäre nahe Null, wenn es um Sonnenlicht geht, aber was ist, wenn zwei hochenergetische Laserstrahlen (die von demselben Laser stammen) direkt an einem gemeinsamen Brennpunkt im Behälter aufeinandertreffen?

Schauen Sie sich diesen Link an en.wikipedia.org/wiki/Two-photon_physics
Als weitere Teilfrage frage ich mich, ob das Streifenmuster am gemeinsamen Brennpunkt irgendwie erklärt werden kann, wenn man die Photonen als Teilchen betrachtet, die an den Punkten mit hoher Intensität interagieren, aber nicht an den Punkten mit niedriger Intensität?
Streifen haben nichts mit wechselwirkenden Photonen zu tun. Es ist nur eine Überlagerung der Wahrscheinlichkeitsamplituden einzelner Photonen, die letztendlich zum makroskopischen Lichtverhalten beiträgt. Es ist keine Wechselwirkung, sondern eine Überlagerung komplexer Felder
Photonen sind Feldquanten. "Sie" fliegen nicht herum wie kleine Billardkugeln und kollidieren auch nicht so. Was Experimente messen, die Photonen nachweisen, ist der quantisierte Austausch zwischen Materie und dem elektromagnetischen Quantenfeld. Das Hochintensitätsregime, in dem der Elektromagnetismus nichtlinear wird, wurde noch nicht in Beschleunigerexperimenten implementiert. Gamma-Beschleuniger stehen auf der Wunschliste von Hochenergiephysikern, aber so weit sind wir noch nicht.
Es gibt kein klassisches Gegenstück zu dieser Frage, aber der Rahmen der Quantenfeldtheorie erlaubt es, solche Prozesse zu untersuchen.
Sie müssen nur den Euler-Heisenberg-Lagrangian verwenden.
@Jens Möglicherweise von Interesse physical.stackexchange.com/questions/1361/… ? Ich weiß, dass es eine Berechnung der Photon-Photon-Streuung (genannt "die Streuung von Licht durch Licht" oder so ähnlich) aus den 1950er Jahren gibt, die Sie möglicherweise mit Zugang zu einer Universitätsbibliothek ausgraben können. Ich bezweifle, dass das Papier irgendwo kostenlos erhältlich ist.

Antworten (2)

Photonen sind Elementarteilchen. Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Photonen interagieren, kann mithilfe von Feynman-Diagrammen berechnet werden, hier ist das Diagramm niedrigster Ordnung für die Photonen-Photonen-Streuung:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ein Feynman-Diagramm (Kastendiagramm) für Photon-Photon-Streuung, ein Photon streut von den transienten Vakuumladungsschwankungen des anderen

Jeder Scheitelpunkt trägt einen Faktor von (1/137)^1/2 bei, der elektromagnetischen Kopplungskonstante, und dieser muss quadriert werden, sodass die Wahrscheinlichkeit der Streuung sehr klein und vernachlässigbar ist, wenn sich zwei Lichtstrahlen treffen. (1/137)^2

Der Querschnitt steigt mit der Energie und bei Gammastrahlenenergien gibt es Vorschläge für Gamma-Gamma-Beschleuniger .

Die mit Licht beobachteten Interferenzmuster bedeuten nicht, dass die Photonen, aus denen es besteht, interagieren. Es ist nur die Überlagerung der quantenmechanischen Wellenfunktionen, die die klassische Welle aufbauen, und die Muster erscheinen auch mit jeweils einem Photon .

Sie geben an:

Noch ein Punkt: Selbst wenn ein Photon durch eine Wahrscheinlichkeitswolke dargestellt wird, geht die Wahrscheinlichkeit des "nächsten Nachbarn" zweier solcher Wolken proportional zum Quadrat der Entfernung gegen Null, sodass die Anzahl der Photonen pro Volumeneinheit extrem hoch sein muss, um zwei zu erhalten Wolken in "berührender" Entfernung - vorausgesetzt, diese Entfernung liegt im Mikrometerbereich oder weniger.

Ja, die Entfernung bei minimaler Annäherung ist auch ein Faktor dafür, wann diese beiden Photonenwechselwirkungen messbare Konsequenzen haben können und bei der Gestaltung von Collider-Experimenten berücksichtigt werden sollten.

Dies ist die berühmte Delbrück-Streuung.

Die Amplituden solcher Prozesse lassen sich leicht mit der Feldtheorie berechnen. Das Feynman-Diagramm gibt direkt die M-Matrix an, deren Amplitudenquadrat die Wahrscheinlichkeitsdichte des Prozesses angibt. Auch im gesamten Vorgang bleibt der 4-Impuls erhalten.

Richtig, aber nützlicher, wenn Sie ein Beispiel-Feynman-Diagramm geben und erklären, wie man es verwendet.
Unabhängig davon, welche Bezeichnungen Sie für Photonen und ihre Wechselwirkung verwenden, muss zwischen ihnen eine gewisse "Gleichzeitigkeit" und "Entfernung" bestehen, damit sie interagieren können? Mit anderen Worten, wenn ein Photon in Miami mit einem in New York interagieren kann, bin ich völlig verloren.
Noch ein Punkt: Selbst wenn ein Photon durch eine Wahrscheinlichkeitswolke dargestellt wird, geht die Wahrscheinlichkeit des "nächsten Nachbarn" zweier solcher Wolken proportional zum Quadrat der Entfernung gegen Null, sodass die Anzahl der Photonen pro Volumeneinheit extrem hoch sein muss, um zwei zu erhalten Wolken in "berührender" Entfernung - vorausgesetzt, diese Entfernung liegt im Mikrometerbereich oder weniger. Es tut mir leid, wenn dies die Experten langweilt, aber ich finde es sehr schwierig, eine gewisse Verbundenheit mit klassischen Konzepten vollständig aufzugeben.
Wahrscheinlichkeit einer Photon-zu-Photon-Kollision
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