ATLAS -eksperimentet observerer lys, der spreder lys

Lys-for-lys-spredning er et meget sjældent fænomen, hvor to fotoner interagerer, producerer endnu et par fotoner. Denne proces var blandt de tidligste forudsigelser af kvanteelektrodynamik (QED), kvanteteorien om elektromagnetisme, og er forbudt af klassiske fysiksteorier (såsom Maxwells teori om elektrodynamik).

Direkte bevis for lys-for-lys spredning ved høj energi havde vist sig undvigende i årtier, indtil Large Hadron Collider (LHC) begyndte sin anden datatagningsperiode (Kør 2). Kollisioner af blyioner i LHC giver et unikt rent miljø til at studere lys-for-lys spredning. Bunker af blyioner, der accelereres til meget høj energi, er omgivet af en enorm strøm af fotoner. Ja, den sammenhængende virkning fra det store antal af 82 protoner i et blyatom med alle elektronerne fjernet (som det er tilfældet for blyionerne i LHC) giver anledning til et elektromagnetisk felt på op til 10 ²⁵ Volt pr. Meter. Når to blyioner passerer tæt ved hinanden i midten af ​​ATLAS -detektoren, men i en afstand større end to gange blyionradius, disse fotoner kan stadig interagere og sprede hinanden uden yderligere interaktion mellem blyionerne, da rækkevidden af ​​den (meget stærkere) stærke kraft er bundet til radius af en enkelt proton. Disse interaktioner er kendt som ultra-perifere kollisioner.

I et resultat offentliggjort i Naturfysik i 2017, ATLAS-eksperimentet på CERN fandt tretten kandidatbegivenheder til lys-for-lys-spredning i bly-bly-kollisionsdata registreret i 2015, for 2,6 begivenheder, der forventes fra baggrundsprocesser. Den tilsvarende betydning af dette resultat var 4,4 standardafvigelser-hvilket gør det til det første direkte bevis på høj-energi lys-for-lys spredning.

Den 17. marts 2019, ved Rencontres de Moriond konference (La Thuile, Italien), ATLAS -eksperimentet rapporterede observation af lys-for-lys spredning med en betydning på 8,2 standardafvigelser. Resultatet anvender data fra den seneste heavy-ion-run af LHC, som fandt sted i november 2018. Cirka 3,6 gange flere begivenheder (1,73 nb ⁻¹ ) blev indsamlet i forhold til 2015. Det øgede datasæt, i kombination med forbedrede analyseteknikker, tilladt måling af spredning af lys-for-lys med stærkt forbedret præcision. I alt blev 59 kandidathændelser observeret, for 12 begivenheder, der forventes fra baggrundsprocesser. Ud fra disse tal, tværsnittet af denne proces, begrænset til den kinematiske region, der blev overvejet i analysen, blev beregnet til 78 ± 15 nb.

Mærkeligt nok, signaturen af ​​denne proces-to fotoner i en ellers tom detektor-er næsten det modsatte af de enormt rige og komplekse begivenheder, der typisk observeres ved højenergikollisioner mellem to blykerner. At observere det krævede udvikling af forbedrede triggeralgoritmer til hurtigt online valg af begivenheder, samt en specifikt justeret foton-identifikationsalgoritme ved hjælp af et neuralt netværk, da de undersøgte fotoner har cirka ti gange mindre energi end de laveste energiske fotoner normalt måles med ATLAS -detektoren. At kunne registrere disse begivenheder viser kraften og fleksibiliteten ved ATLAS -detektoren og dens rekonstruktion af hændelser, som var designet til meget forskellige begivenhedstopologier.

Denne nye måling åbner døren for yderligere undersøgelse af lys-for-lys spredningsprocessen, hvilket ikke kun er interessant i sig selv som en manifestation af et ekstremt sjældent QED -fænomen, men kan være følsom over for bidrag fra partikler ud over standardmodellen. Det giver mulighed for en ny generation af søgninger efter hypotetisk lys og neutrale partikler.