Bij de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN, de elektromagnetische velden van Lorentz-gecontracteerde loodkernen in botsingen van zware ionen fungeren als intense bronnen van hoogenergetische fotonen, of lichtdeeltjes. Deze omgeving stelt deeltjesfysici in staat om door fotonen geïnduceerde verstrooiingsprocessen te bestuderen, die niet elders kunnen worden bestudeerd.

Een belangrijk proces dat door ATLAS Experiment-fysici is onderzocht, is de vernietiging van fotonen in paren van tegengesteld geladen muonen. Dergelijke elektromagnetische "twee-fotonprocessen" worden typisch bestudeerd in "ultra-perifere botsingen" (UPC), waarbij de transversale scheiding tussen de botsende loden kernen groter is dan de som van hun stralen, resulterend in geen directe sterke interacties tussen de botsende kernen. Dit zorgt voor een schone omgeving voor de studie van elektromagnetische interacties met hoge energie en intensiteit. Echter, deze twee-fotonprocessen zijn ook aanwezig bij botsingen waarbij de twee kernen elkaar overlappen ("centrale botsingsgebeurtenissen") en quark-gluonplasma produceren. De geproduceerde muonen kunnen, in principe, interactie met de ladingen in het plasma, waardoor de muonparen die in twee-fotonprocessen zijn ontstaan, een potentieel waardevolle sonde van de elektromagnetische velden in het plasma worden.

De ATLAS-samenwerking heeft onlangs een nieuwe, uitgebreide meting van de distributies van muonparen van twee-foton-annihilatieprocessen, in UPC- en niet-UPC-botsingsgebeurtenissen. De meting maakt gebruik van de grote dataset die is geregistreerd tijdens de zware ionenruns van 2015 en 2018 van de LHC.

Natuurkundigen van ATLAS ontdekten dat de verdelingen van muonparen systematisch varieerden, afhankelijk van de "centraliteit" van de botsing (een maatstaf voor hoe frontale twee kernen botsen). Dit gedrag wordt gekwantificeerd door de waarneembare k _⊥ die het transversale momentum van het dimuonpaar loodrecht op de muonrichtingen vertegenwoordigt. De figuur toont de verdeling van verschillende centraliteitsklassen, variërend van UPC-gebeurtenissen tot centrale botsingsgebeurtenissen.

Er wordt een significante verandering in de distributies waargenomen van UPC naar perifere naar centrale botsingsgebeurtenissen. Vooral, voor de UPC-evenementen, de twee muonen worden het meest waarschijnlijk back-to-back geproduceerd, leidend naar de k _⊥ distributies met een piek bij k _⊥ =0 MeV. Echter, in meer centrale botsingen met hadronische interacties, de twee muonen hebben meer kans op een kleine verschuiving van puur back-to-back, resulterend de k _⊥ distributies een meest waarschijnlijke waarde groter dan nul hebben. De meest waarschijnlijke waarde van k⊥-verschuivingen, afhankelijk van de centrale plaats van de botsing, van k _⊥ =0 MeV in UPC-gebeurtenissen tot k _⊥ =36 ± 1 MeV in de 0-5% meest centrale botsingen.

Deze metingen geven nieuw inzicht in de mogelijke interactie van de uitgaande muonen met elektromagnetische ladingen of velden die aanwezig zijn in het quark-gluon plasma. Echter, recente berekeningen suggereren dat effecten die vergelijkbaar zijn met die in de gegevens het gevolg kunnen zijn van een combinatie van de initiële toestandsverbreding van de transversale momenta van het foton en van het productieproces zelf. Toekomstige analyses en aanvullende metingen zijn nodig om de mechanismen vast te stellen die verantwoordelijk zijn voor de kenmerken die in de gegevens worden waargenomen.