Natuurkundigen van het ATLAS-experiment bij CERN hebben het eerste directe bewijs gevonden van licht-door-lichtverstrooiing met hoge energie, een zeer zeldzaam proces waarbij twee fotonen – lichtdeeltjes – op elkaar inwerken en van richting veranderen. Het resultaat, vandaag gepubliceerd in Natuurfysica , bevestigt een van de oudste voorspellingen van kwantumelektrodynamica (QED).

"Dit is een mijlpaalresultaat:het eerste directe bewijs van licht dat op hoge energie met zichzelf in wisselwerking staat, " zegt Dan Tovey (Universiteit van Sheffield), ATLAS Natuurkunde Coördinator. "Dit fenomeen is onmogelijk in klassieke theorieën over elektromagnetisme; daarom biedt dit resultaat een gevoelige test voor ons begrip van QED, de kwantumtheorie van elektromagnetisme."

Direct bewijs voor licht-door-lichtverstrooiing bij hoge energie was decennialang ongrijpbaar gebleken - totdat de tweede run van de Large Hadron Collider in 2015 begon. Toen de versneller loodionen botste met ongekende botsingssnelheden, het verkrijgen van bewijs voor licht-door-lichtverstrooiing werd een reële mogelijkheid. "Deze meting is al enkele jaren van groot belang voor de gemeenschappen van zware ionen en hoge-energiefysica, aangezien berekeningen van verschillende groepen aantoonden dat we een significant signaal zouden kunnen bereiken door lood-ion-botsingen in Run 2 te bestuderen, " zegt Peter Steinberg (Brookhaven National Laboratory), ATLAS Heavy Ion Physics Group Convener.

Botsingen met zware ionen zorgen voor een uniek schone omgeving om licht-voor-lichtverstrooiing te bestuderen. Terwijl bundels loodionen worden versneld, er ontstaat een enorme flux van omringende fotonen. Wanneer ionen elkaar ontmoeten in het midden van de ATLAS-detector, heel weinig botsen, toch kunnen hun omringende fotonen op elkaar inwerken en elkaar verstrooien. Deze interacties staan ​​bekend als 'ultra-perifere botsingen'.

Bestudering van meer dan 4 miljard evenementen die in 2015 zijn genomen de ATLAS-samenwerking vond 13 kandidaten voor licht-voor-lichtverstrooiing. Dit resultaat heeft een significantie van 4,4 standaarddeviaties, waardoor de ATLAS-samenwerking het eerste directe bewijs van dit fenomeen bij hoge energie kan rapporteren.

"Het vinden van bewijs van deze zeldzame handtekening vereiste de ontwikkeling van een gevoelige nieuwe 'trigger' voor de ATLAS-detector, ", zegt Steinberg. "De resulterende handtekening - twee fotonen in een verder lege detector - is bijna het tegenovergestelde van de enorm gecompliceerde gebeurtenissen die typisch worden verwacht van botsingen met loden kernen. Het succes van de nieuwe trigger bij het selecteren van deze gebeurtenissen toont de kracht en flexibiliteit van het systeem aan, evenals de vaardigheid en expertise van de analyse- en triggergroepen die het hebben ontworpen en ontwikkeld."

Natuurkundigen van ATLAS zullen licht-voor-lichtverstrooiing blijven bestuderen tijdens de komende LHC-zware-ionenrun, gepland voor 2018. Meer gegevens zullen de nauwkeurigheid van het resultaat verder verbeteren en kunnen een nieuw venster openen voor studies van nieuwe fysica. In aanvulling, de studie van ultraperifere botsingen zou een grotere rol moeten spelen in het LHC zware-ionenprogramma, naarmate het aantal botsingen verder toeneemt in Run 3 en daarna.