ATLAS-eksperiment rapporterer observation af fotonkollisioner, der producerer svage kraftbærere

Under den internationale konference om højenergifysik (ICHEP 2020), ATLAS-samarbejdet præsenterede den første observation af fotonkollisioner, der producerede par af W-bosoner, elementarpartikler, der bærer den svage kraft, en af ​​de fire grundlæggende kræfter. Resultatet viser en ny måde at bruge LHC på, nemlig som en højenergifotonkollider, der direkte sonderer elektrosvage interaktioner. Det bekræfter en af ​​de vigtigste forudsigelser af elektrosvag teori - at kraftbærere kan interagere med sig selv - og giver nye måder at undersøge det på.

Ifølge lovene for klassisk elektrodynamik, to krydsende lysstråler ville ikke afbøje, absorbere eller forstyrre hinanden. Imidlertid, effekter af kvanteelektrodynamik (QED), teorien, der forklarer, hvordan lys og stof interagerer, tillade interaktioner mellem fotoner.

Ja, det er ikke første gang, at fotoner, der interagerer ved høje energier, er blevet undersøgt ved LHC. For eksempel, lys-for-lys "spredning", hvor et par fotoner interagerer ved at producere et andet par fotoner, er en af ​​de ældste forudsigelser af QED. Det første direkte bevis på lys-for-lys-spredning blev rapporteret af ATLAS i 2017, udnyttelse af de stærke elektromagnetiske felter, der omgiver blyioner i højenergi-bly-bly-kollisioner. I 2019 og 2020, ATLAS studerede yderligere denne proces ved at måle dens egenskaber.

Det nye resultat rapporteret på denne konference er følsomt over for et andet sjældent fænomen, hvor to fotoner interagerer for at producere to W-bosoner med modsat elektrisk ladning via (blandt andre) interaktionen mellem fire kraftbærere. Kvasiægte fotoner fra protonstrålerne spredes fra hinanden for at producere et par W-bosoner. En første undersøgelse af dette fænomen blev tidligere rapporteret af ATLAS og CMS i 2016, fra data registreret under LHC Run 1, men et større datasæt var påkrævet for entydigt at observere det.

Observationen blev opnået med et meget signifikant statistisk bevis på 8,4 standardafvigelser, svarende til en ubetydelig chance for at skyldes et statistisk udsving. ATLAS-fysikere brugte et betydeligt større datasæt taget under kørsel 2, den fireårige dataindsamling i LHC, der sluttede i 2018, og udviklet en skræddersyet analysemetode.

På grund af arten af ​​interaktionsprocessen, de eneste partikelspor, der er synlige i den centrale detektor, er henfaldsprodukterne fra de to W-bosoner, en elektron og en myon med modsat elektrisk ladning. W-boson-par kan også produceres direkte fra interaktioner mellem kvarker og gluoner i de kolliderende protoner betydeligt oftere end fra foton-foton-interaktioner, men disse er ledsaget af yderligere spor fra stærke interaktionsprocesser. Det betyder, at ATLAS-fysikerne var nødt til omhyggeligt at skille kollisionsspor fra hinanden for at observere dette sjældne fænomen.

"Denne observation åbner op for en ny facet af eksperimentel udforskning ved LHC ved hjælp af fotoner i den oprindelige tilstand", sagde Karl Jakobs, talsmand for ATLAS-samarbejdet. "Det er unikt, da det kun involverer koblinger blandt elektrosvage kraftbærere i det stærkt interaktionsdominerede miljø i LHC. Med større fremtidige datasæt kan det bruges til på en ren måde at sondere den elektrosvage gauge-struktur og mulige bidrag fra ny fysik. "

Ja, det nye resultat bekræfter en af ​​de vigtigste forudsigelser af elektrosvag teori, nemlig at udover at interagere med almindelige stofpartikler, kraftbærerne, også kendt som gauge bosoner - W bosonerne, Z-bosonen og fotonen - interagerer også med hinanden. Fotonkollisioner vil give en ny måde at teste standardmodellen på og undersøge for ny fysik, hvilket er nødvendigt for en bedre forståelse af universet.