Licht-door-lichtverstrooiing is een zeer zeldzaam fenomeen waarbij twee fotonen op elkaar inwerken, het produceren van een ander paar fotonen. Dit proces was een van de vroegste voorspellingen van kwantumelektrodynamica (QED), de kwantumtheorie van elektromagnetisme, en is verboden door klassieke natuurkundige theorieën (zoals Maxwell's theorie van elektrodynamica).

Direct bewijs voor licht-door-lichtverstrooiing bij hoge energie was decennialang ongrijpbaar gebleken, totdat de Large Hadron Collider (LHC) aan zijn tweede periode van gegevensverzameling begon (Run 2). Botsingen van loodionen in de LHC zorgen voor een unieke schone omgeving om licht-voor-lichtverstrooiing te bestuderen. Bundels loodionen die worden versneld tot zeer hoge energie worden omgeven door een enorme stroom van fotonen. Inderdaad, de coherente actie van het grote aantal van 82 protonen in een loodatoom waarbij alle elektronen zijn verwijderd (zoals het geval is voor de loodionen in de LHC) leiden tot een elektromagnetisch veld van maximaal 10 ²⁵ Volt per meter. Wanneer twee loodionen dicht bij elkaar passeren in het midden van de ATLAS-detector, maar op een afstand die groter is dan tweemaal de straal van het loodion, die fotonen kunnen nog steeds op elkaar inwerken en elkaar verstrooien zonder verdere interactie tussen de loodionen, omdat het bereik van de (veel sterkere) sterke kracht is gebonden aan de straal van een enkel proton. Deze interacties staan ​​bekend als ultraperifere botsingen.

In een resultaat gepubliceerd in Natuurfysica in 2017, het ATLAS-experiment op CERN vond dertien kandidaat-gebeurtenissen voor licht-door-lichtverstrooiing in gegevens over lood-loodbotsingen die in 2015 werden geregistreerd voor 2,6 gebeurtenissen die worden verwacht van achtergrondprocessen. De overeenkomstige significantie van dit resultaat was 4,4 standaarddeviaties - waardoor het het eerste directe bewijs is van hoogenergetische licht-door-lichtverstrooiing.

Op 17 maart 2019, bij de Rencontres de Moriond conferentie (La Thuile, Italië), het ATLAS-experiment rapporteerde de waarneming van licht-door-licht verstrooiing met een significantie van 8,2 standaarddeviaties. Het resultaat maakt gebruik van gegevens van de meest recente zware-ionenrun van de LHC, die plaatsvond in november 2018. Ongeveer 3,6 keer meer evenementen (1,73 nb ⁻¹ ) werden verzameld in vergelijking met 2015. De toegenomen dataset, in combinatie met verbeterde analysetechnieken, maakte het meten van de verstrooiing van licht-door-licht mogelijk met sterk verbeterde precisie. Er werden in totaal 59 kandidaat-evenementen waargenomen, voor 12 gebeurtenissen die worden verwacht van achtergrondprocessen. Van deze cijfers is de dwarsdoorsnede van dit proces, beperkt tot het kinematische gebied dat in de analyse wordt beschouwd, werd berekend als 78 ± 15 nb.

nieuwsgierig, de signatuur van dit proces - twee fotonen in een verder lege detector - is bijna het tegenovergestelde van de enorm rijke en complexe gebeurtenissen die typisch worden waargenomen bij hoogenergetische botsingen van twee loden kernen. Het observeren ervan vereiste de ontwikkeling van verbeterde trigger-algoritmen voor snelle online evenementselectie, evenals een specifiek aangepast foton-identificatie-algoritme met behulp van een neuraal netwerk, aangezien de bestudeerde fotonen ongeveer tien keer minder energie hebben dan de laagste energetische fotonen die gewoonlijk met de ATLAS-detector worden gemeten. Het feit dat deze gebeurtenissen kunnen worden geregistreerd, demonstreert de kracht en flexibiliteit van de ATLAS-detector en de reconstructie van gebeurtenissen, die is ontworpen voor zeer verschillende gebeurtenistopologieën.

Deze nieuwe meting opent de deur naar verdere studie van het licht-voor-licht verstrooiingsproces, wat op zichzelf niet alleen interessant is als een manifestatie van een uiterst zeldzaam QED-fenomeen, maar kan gevoelig zijn voor bijdragen van deeltjes buiten het standaardmodel. Het zorgt voor een nieuwe generatie van zoekopdrachten naar hypothetisch licht en neutrale deeltjes.