ATLAS-eksperiment måler lysspredning på lys og begrænser axion-lignende partikler

Lys-for-lys spredning er et sjældent fænomen, hvor to fotoner - lyspartikler - interagerer, producerer endnu et par fotoner. Direkte observation af denne proces ved høj energi havde vist sig at være uhåndgribelig i årtier, indtil det første gang blev set af ATLAS-eksperimentet i 2016 og etableret i 2019. I en ny måling, ATLAS-fysikere bruger lys-for-lys-spredning til at søge efter et hypet fænomen ud over standardmodellen for partikelfysik:axion-lignende partikler.

Kollisioner af tunge blyioner i Large Hadron Collider (LHC) giver det ideelle miljø til at studere lys-for-lys spredning. Når bundter af blyioner accelereres, der genereres en enorm flux af omgivende fotoner svarende til et elektrisk felt med en styrke på op til 10 ²⁵ volt per meter. Når ioner fra modsatte stråler passerer ved siden af ​​hinanden i midten af ​​ATLAS-detektoren, deres omgivende fotoner kan interagere og spredes fra hinanden. Fordi blyionerne kun mister en lille brøkdel af deres energi i denne proces, de udgående ioner fortsætter deres vej rundt i LHC-ringen, uset af ATLAS-detektoren. Disse interaktioner er kendt som ultra-perifere kollisioner. Dette fører til en tydelig begivenhedssignatur, meget i modsætning til typiske bly-ion-kollisionshændelser, med to back-to-back fotoner og ingen yderligere aktivitet i detektoren.

Baseret på bly-bly kollision data registreret i 2015, ATLAS-samarbejdet fandt det første direkte bevis på højenergi lys-for-lys-spredning. For nylig rapporterede ATLAS Collaboration observation af lys-for-lys spredning med en signifikans på 8,2 standardafvigelser, ved hjælp af en stor dataprøve taget i 2018.

ATLAS Collaboration har studeret det fulde LHC Run-2-datasæt af tunge-ion-kollisioner for at måle lys-for-lys spredning med forbedret præcision og flere detaljer. Ud af de mere end hundrede milliarder ultraperifere kollisioner, der blev undersøgt, ATLAS observerede i alt 97 kandidatbegivenheder, mens 27 begivenheder forventes fra baggrundsprocesser. Ud over produktionshastigheden (tværsnit), ATLAS målte energierne og vinkelfordelingerne af de producerede fotoner (dvs. deres kinematik). Resultatet udforsker en bredere række af difotonmasser, øger det forventede signaludbytte med omkring 50 % i forhold til de tidligere ATLAS-målinger.

Målingen af ​​lys-for-lys spredning er følsom over for processer ud over standardmodellen, såsom axion-lignende partikler. Disse er hypotetiske spin-løse (skalære) partikler med et ulige paritetskvantumtal (Higgs-bosonen, for eksempel, er en skalar med jævn paritet) og typisk svage interaktioner med Standard Model-partikler. I det nye ATLAS resultat, fysikere overvejede, om parrene af interagerende fotoner producerer axion-lignende partikler (a), når de spredes fra hinanden (γγ → a → γγ), hvilket ville føre til et overskud af spredningsbegivenheder med difotonmasse lig med massen af ​​a. De undersøgte difotonmassefordelingen for et masseområde på mellem 6 og 100 GeV. Der blev ikke fundet nogen signifikant overskridelse af hændelser ud over den forventede baggrund i analysen. ATLAS fysikere var i stand til at udlede, på et 95% konfidensniveau, en eksklusionsbundet af de axionlignende partikler, der kobler til fotoner (figur 2). Forudsat at 100% af de formodede partikler henfalder til fotoner, denne nye analyse sætter de stærkeste eksisterende grænser for produktionen af ​​axionlignende partikler i det undersøgte masseområde til dato.

Med det meget større datasæt, der forventes i fremtidige LHC-kørsler, fysikere vil fortsætte med at udforske lys-for-lys-spredningens følsomhed over for fænomener ud over Standardmodellen.