Wetenschappers van de ATLAS-samenwerking bij de LHC hebben bewijs gevonden voor licht-voor-lichtverstrooiing, waarin twee fotonen op elkaar inwerken en hun baan veranderen. Onderzoekers van DESY, de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz en de AGH Universiteit voor Wetenschap en Technologie in Krakau voerden het onderzoek uit.

"Volgens de klassieke elektrodynamica, lichtstralen passeren elkaar zonder verstrooid te worden. Maar als we rekening houden met de kwantumfysica, licht kan worden verstrooid door licht, hoewel dit fenomeen zeer onwaarschijnlijk lijkt", legt Mateusz Dyndal uit, een DESY-wetenschapper die een grote rol speelde in de data-analyse. Een van de oudste voorspellingen van kwantumelektrodynamica zegt dat fotonen, de dragerdeeltjes van de elektromagnetische kracht, kunnen met elkaar omgaan en uit elkaar gaan. Dit proces is getest in verschillende omgevingen, maar een directe waarneming van licht-door-lichtverstrooiing is niet eerder bereikt.

In 2012, natuurkundigen stelden voor dat licht-door-lichtverstrooiing kan worden waargenomen bij botsingen bij de LHC. Protonen die worden versneld tot bijna de lichtsnelheid produceren een zeer sterk elektromagnetisch veld. Het gegenereerde veld is nog sterker als er loodionen worden gebruikt in plaats van protonen. Wanneer twee van dergelijke ionen elkaar passeren in een zogenaamde ultraperifere botsing, twee fotonen kunnen van elkaar verstrooien terwijl de ionen zelf intact blijven. De wetenschappers observeren vervolgens twee laagenergetische fotonen met specifieke kinematische eigenschappen en geen extra activiteit in de detector. Op basis van de gegevens die in 2015 bij de LHC zijn genomen, natuurkundigen van het ATLAS-experiment voerden een zoektocht uit naar licht-door-lichtverstrooiing en vonden 4,4σ-bewijs voor het fenomeen. De σ-waarde beschrijft de statistische significantie van een wetenschappelijk resultaat. Natuurkundigen spreken meestal van een "ontdekking" als ze een 5σ-resultaat vinden en een 3σ-resultaat "bewijs" noemen voor iets nieuws. Licht-door-lichtverstrooiing heeft een zeer kleine doorsnede, wat betekent dat het zeer zelden voorkomt. Dus in vier miljard geanalyseerde gebeurtenissen, slechts 13 kandidaten voor dergelijke diphoton-gebeurtenissen werden waargenomen.

Omdat de wetenschappers slechts enkele gebeurtenissen observeerden die werden toegeschreven aan licht-door-lichtverstrooiing, de statistische nauwkeurigheid van hun resultaten is beperkt. Wanneer de volgende lead-lead run bij de LHC begint (eind 2018), ze hopen meer gegevens te verzamelen om dit fenomeen nauwkeuriger te testen. Verdere studies kunnen ook een extra venster bieden op nieuwe fysica bij de LHC. "Misschien kunnen we bewijs voor fysica vinden dat verder gaat dan het standaardmodel van deeltjesfysica, bijvoorbeeld axionachtige deeltjes die een mogelijke kandidaat zijn voor donkere materie. Verschillende theoretische concepten voorspellen dat licht-door-lichtverstrooiing gevoelig kan zijn voor dergelijke deeltjes", zegt Dyndal.