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Photon–photon physics at the LHC and laser beam experiments, present and future
Progress in Particle and Nuclear Physics ( IF 9.6 ) Pub Date : 2021-06-24 , DOI: 10.1016/j.ppnp.2021.103889
L. Schoeffel , C. Baldenegro , H. Hamdaoui , S. Hassani , C. Royon , M. Saimpert

Under certain running conditions, the CERN Large Hadron Collider (LHC) can be considered as a photon–photon collider. Indeed, in proton–proton, proton–ion, ion–ion collisions, when incoming particles pass very close to each other in very peripheral collisions, the incoming protons or ions remain almost intact and continue their path along the beam axis. Then, only the electromagnetic (EM) fields of these ultra-relativistic charged particles (protons or ions) interact to leave a signature in the central detectors of the LHC experiments. The interest is that the photon–photon interactions happen at unprecedented energies (a few TeV per nucleon pairs) where the quantum electrodynamics (QED) theory can be tested in extreme conditions and unforeseen laws of nature could be discovered. In this report, we propose a focus on a particular reaction, called light-by-light scattering in which two incoming photons interact, producing another pair of photons. We describe how experimental results have been obtained at the LHC. In addition, we discuss prospects for on-shell photon–photon interactions in dedicated laser beam facilities. Potential signatures of new physics might manifest as resonant deviations in the refractive index, induced by anomalous light-by-light scattering effects. Importantly, we explain how this process can be used to probe the physics beyond the standard model such as theories that include large extra dimensions. Finally, some perspectives and ideas are given for future data taking or experiments.



中文翻译:

LHC 中的光子-光子物理学和激光束实验,现在和未来

在某些运行条件下,CERN 大型强子对撞机 (LHC) 可被视为光子-光子对撞机。事实上,在质子 - 质子、质子 - 离子、离子 - 离子碰撞中,当进入的粒子在非常外围的碰撞中彼此非常靠近时,进入的质子或离子几乎保持完整并沿着光束轴继续它们的路径。然后,只有这些超相对论带电粒子(质子或离子)的电磁 (EM) 场相互作用才能在 LHC 实验的中央探测器中留下特征。有趣的是,光子-光子相互作用以前所未有的能量(每个核子对几个 TeV)发生,在这种情况下,可以在极端条件下测试量子电动力学 (QED) 理论,并可以发现不可预见的自然规律。在这份报告中,我们建议关注一个特定的反应,称为逐光散射,其中两个入射光子相互作用,产生另一对光子。我们描述了如何在 LHC 上获得实验结果。此外,我们讨论了专用激光束设施中壳上光子-光子相互作用的前景。新物理学的潜在特征可能表现为折射率的共振偏差,由异常的逐光散射效应引起。重要的是,我们解释了如何使用这个过程来探索超出标准模型的物理学,例如包含大额外维度的理论。最后,对未来的数据采集或实验给出了一些观点和想法。此外,我们讨论了专用激光束设施中壳上光子-光子相互作用的前景。新物理学的潜在特征可能表现为折射率的共振偏差,由异常的逐光散射效应引起。重要的是,我们解释了如何使用这个过程来探索超出标准模型的物理学,例如包含大额外维度的理论。最后,对未来的数据采集或实验给出了一些观点和想法。此外,我们讨论了专用激光束设施中壳上光子-光子相互作用的前景。新物理学的潜在特征可能表现为折射率的共振偏差,由异常的逐光散射效应引起。重要的是,我们解释了如何使用这个过程来探索超出标准模型的物理学,例如包含大额外维度的理论。最后,对未来的数据采集或实验给出了一些观点和想法。我们解释了如何使用这个过程来探索超出标准模型的物理,例如包含大额外维度的理论。最后,对未来的数据采集或实验给出了一些观点和想法。我们解释了如何使用这个过程来探索超出标准模型的物理,例如包含大额外维度的理论。最后,对未来的数据采集或实验给出了一些观点和想法。

更新日期:2021-07-08
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