Forståelse af fotonkollisioner kan hjælpe med at søge efter fysik ud over standardmodellen

I hælene på at bevise en 87 år gammel forudsigelse om, at stof kan genereres direkte fra lys, Rice University fysikere og deres kolleger har detaljeret, hvordan denne proces kan påvirke fremtidige studier af primordialt plasma og fysik ud over standardmodellen.

"Vi ser i bund og grund på kollisioner af lys, "sagde Wei Li, en lektor i fysik og astronomi ved Rice og medforfatter af undersøgelsen offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve .

"Vi ved fra Einstein, at energi kan omdannes til masse, " sagde Li, en partikelfysiker, der samarbejder med hundredvis af kolleger om eksperimenter med højenergipartikelacceleratorer som European Organization for Nuclear Research's Large Hadron Collider (LHC) og Brookhaven National Laboratory's Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC).

Acceleratorer som RHIC og LHC omdanner rutinemæssigt energi til stof ved at accelerere stykker atomer nær lysets hastighed og smadre dem ind i hinanden. Opdagelsen af ​​Higgs -partiklen ved LHC i 2012 er et bemærkelsesværdigt eksempel. På det tidspunkt, Higgs var den sidste uobserverede partikel i standardmodellen, en teori, der beskriver atomkraftens grundlæggende kræfter og byggesten.

Imponerende som det er, fysikere ved, at standardmodellen kun forklarer omkring 4% af stoffet og energien i universet. Li sagde denne uges undersøgelse, som blev ledet af Rice postdoc-forsker Shuai Yang, har betydning for søgningen efter fysik ud over standardmodellen.

"Der er papirer, der forudsiger, at du kan skabe nye partikler fra disse ionkollisioner, at vi har en så høj densitet af fotoner i disse kollisioner, at disse foton-foton-interaktioner kan skabe ny fysik ud over i standardmodellen, " sagde Li.

Yang sagde, "At lede efter ny fysik, man skal forstå Standard Model processer meget præcist. Den effekt, vi har set her, er ikke tidligere blevet overvejet, når folk har foreslået at bruge foton-foton-interaktioner til at lede efter ny fysik. Og det er ekstremt vigtigt at tage højde for det«.

Den effekt, Yang og kolleger beskrev i detaljer, opstår, når fysikere accelererer modsatte stråler af tunge ioner i modsatte retninger og peger strålerne mod hinanden. Ionerne er kerner af massive elementer som guld eller bly, og ionacceleratorer er særligt nyttige til at studere den stærke kraft, som binder grundlæggende byggesten kaldet kvarker i atomkernenes neutroner og protoner. Fysikere har brugt tunge ionkollisioner til at overvinde disse interaktioner og observere både kvarker og gluoner, partiklerne kvarker udveksler, når de interagerer via den stærke kraft.

Men kerner er ikke de eneste ting, der kolliderer i tunge ionacceleratorer. Ionstråler producerer også elektriske og magnetiske felter, der omslutter hver kerner i strålen med sin egen lyssky. Disse skyer bevæger sig med kernerne, og når skyer fra modstående stråler mødes, individuelle lyspartikler kaldet fotoner kan mødes frontalt.

I en PRL undersøgelse offentliggjort i juli, Yang og kolleger brugte data fra RHIC til at vise, at foton-foton-kollisioner producerer stof fra ren energi. I forsøgene, lette smashups fandt sted sammen med kernekollisioner, der skabte en ursuppe kaldet kvark-gluonplasma, eller QGP.

"Hos RHIC, du kan få foton-foton-kollisionen til at skabe sin masse på samme tid som dannelsen af ​​kvark-gluonplasma, " sagde Yang. "Så, du skaber denne nye masse inde i kvark-gluon-plasmaet."

Yangs ph.d. afhandling om RHIC-data offentliggjort i PRL i 2018 foreslåede fotonkollisioner kan påvirke plasmaet på en let, men målelig måde. Li sagde, at dette var både spændende og overraskende, fordi fotonkollisionerne er et elektromagnetisk fænomen, og kvark-gluon plasmaer er domineret af den stærke kraft, som er langt kraftigere end den elektromagnetiske kraft.

"At interagere stærkt med kvark-gluon plasma, kun at have elektrisk ladning er ikke nok, "Sagde Li." Du forventer ikke, at det vil interagere særlig stærkt med kvark-gluonplasma. "

Han sagde, at en række teorier blev tilbudt for at forklare Yangs uventede fund.

"En foreslået forklaring er, at foton-foton-interaktionen vil se anderledes ud ikke på grund af kvark-gluonplasma, men fordi de to ioner bare kommer tættere på hinanden, " sagde Li. "Det er relateret til kvanteeffekter og hvordan fotonerne interagerer med hinanden."

Hvis kvanteeffekter havde forårsaget anomalierne, Yang formodede, de kunne skabe påviselige interferensmønstre, når ioner snævert savnede hinanden, men fotoner fra deres respektive lette skyer kolliderede.

"Så de to ioner, de rammer ikke hinanden direkte, " sagde Yang. "De går faktisk forbi. Det kaldes en ultraperifer kollision, fordi fotonerne kolliderer, men ionerne ikke rammer hinanden. "

Teori foreslog kvanteinterferensmønstre fra ultraperifere foton-foton-kollisioner bør variere i direkte forhold til afstanden mellem de passerende ioner. Ved at bruge data fra LHC's Compact Muon Solenoid (CMS) eksperiment, Yang, Li og kolleger fandt ud af, at de kunne bestemme denne afstand, eller indvirkningsparameter, ved at måle noget helt andet.

"De to ioner, når de kommer tættere på, der er større sandsynlighed for, at ionen kan blive ophidset og begynde at udsende neutroner, som går lige ned ad strålelinjen, " sagde Li. "Vi har en detektor til dette på CMS."

Hver ultraperifer foton-foton kollision producerer et par partikler kaldet muoner, der typisk flyver fra kollisionen i modsatte retninger. Som forudsagt af teori, Yang, Li og kolleger fandt ud af, at kvanteinterferens forvrængede afgangsvinklen for myonerne. Og jo kortere afstanden er mellem nær-missionerne, jo større forvrængning.

Li sagde, at effekten stammer fra bevægelsen af ​​de kolliderende fotoner. Selvom hver bevæger sig i strålens retning med sin værtion, fotoner kan også bevæge sig væk fra deres værter.

"Fotonerne har bevægelse i vinkelret retning, også, sagde han. Og det viser sig, Nemlig, at den vinkelrette bevægelse bliver stærkere, efterhånden som påvirkningsparameteren bliver mindre og mindre.

"Dette får det til at se ud som om noget ændrer myonerne, " sagde Li. "Det ser ud som om den ene går i en anden vinkel end den anden, men det er det virkelig ikke. Det er en artefakt af den måde, fotonens bevægelse ændrede sig på, vinkelret på stråleretningen, før kollisionen, der skabte myonerne."

Yang sagde, at undersøgelsen forklarer de fleste af de anomalier, han tidligere har identificeret. I mellemtiden undersøgelsen etablerede et nyt eksperimentelt værktøj til at kontrollere påvirkningsparameteren for fotoninteraktioner, der vil have vidtrækkende virkninger.

"Vi kan roligt sige, at størstedelen kom fra denne QED-effekt, "sagde han." Men det udelukker ikke, at der stadig er effekter, der vedrører kvark-gluonplasma. Dette arbejde giver os en meget præcis baseline, men vi har brug for mere præcise data. Vi har stadig mindst 15 år til at indsamle QGP-data hos CMS, og præcisionen af ​​dataene bliver højere og højere."