Licht-bij-lichtverstrooiing is een zeldzaam fenomeen waarbij twee fotonen - lichtdeeltjes - op elkaar inwerken, het produceren van een ander paar fotonen. Directe observatie van dit proces bij hoge energie was decennialang ongrijpbaar gebleken, totdat het voor het eerst werd gezien door het ATLAS-experiment in 2016 en werd vastgesteld in 2019. In een nieuwe meting, Natuurkundigen van ATLAS gebruiken licht-voor-lichtverstrooiing om te zoeken naar een hyped fenomeen dat verder gaat dan het standaardmodel van deeltjesfysica:axion-achtige deeltjes.

Botsingen van zware loodionen in de Large Hadron Collider (LHC) bieden de ideale omgeving om licht-voor-lichtverstrooiing te bestuderen. Terwijl bundels loodionen worden versneld, er wordt een enorme flux van omringende fotonen gegenereerd die overeenkomt met een elektrisch veld met een sterkte tot 10 ²⁵ volt per meter. Wanneer ionen van tegenovergestelde bundels naast elkaar passeren in het midden van de ATLAS-detector, hun omringende fotonen kunnen interageren en van elkaar verstrooien. Omdat de loodionen bij dit proces slechts een klein deel van hun energie verliezen, de uitgaande ionen vervolgen hun weg rond de LHC-ring, ongezien door de ATLAS-detector. Deze interacties staan ​​bekend als ultraperifere botsingen. Dit leidt tot een duidelijke gebeurtenissignatuur, heel anders dan typische loodionenbotsingen, met twee back-to-back fotonen en geen verdere activiteit in de detector.

Gebaseerd op gegevens over botsingen tussen lood en lood geregistreerd in 2015, de ATLAS-samenwerking vond het eerste directe bewijs van hoogenergetische licht-door-lichtverstrooiing. Meer recentelijk rapporteerde de ATLAS-samenwerking de waarneming van licht-door-lichtverstrooiing met een significantie van 8,2 standaarddeviaties, met behulp van een grote datasteekproef genomen in 2018.

De ATLAS-samenwerking heeft de volledige LHC Run-2-dataset van botsingen met zware ionen bestudeerd om licht-voor-lichtverstrooiing met verbeterde precisie en meer detail te meten. Van de meer dan honderd miljard onderzochte ultraperifere botsingen, ATLAS heeft in totaal 97 kandidaat-gebeurtenissen waargenomen, terwijl 27 gebeurtenissen worden verwacht van achtergrondprocessen. Naast de productiesnelheid (dwarsdoorsnede), ATLAS heeft de energieën en hoekverdelingen van de geproduceerde fotonen gemeten (d.w.z. hun kinematica). Het resultaat verkent een breder scala aan difotonmassa's, het verhogen van de verwachte signaalopbrengst met ongeveer 50% in vergelijking met de vorige ATLAS-metingen.

De meting van licht-door-lichtverstrooiing is gevoelig voor processen die verder gaan dan het standaardmodel, zoals axion-achtige deeltjes. Dit zijn hypothetische spinloze (scalaire) deeltjes met een oneven pariteitsquantumgetal (het Higgs-deeltje, bijvoorbeeld, is een scalair met even pariteit) en typisch zwakke interacties met standaardmodeldeeltjes. In het nieuwe ATLAS-resultaat natuurkundigen hebben overwogen of de paren van op elkaar inwerkende fotonen axion-achtige deeltjes (a) produceren als ze van elkaar verstrooien (γγ → a → γγ), wat zou leiden tot een overmaat aan verstrooiingsgebeurtenissen met een difotonmassa gelijk aan de massa van a. Ze onderzochten de massaverdeling van difotonen voor een massabereik tussen 6 en 100 GeV. Er werd geen significante overmaat aan gebeurtenissen boven de verwachte achtergrond gevonden in de analyse. ATLAS-fysici konden afleiden, met een betrouwbaarheidsniveau van 95%, een uitsluitingsgrens van de axion-achtige deeltjes die koppelen aan fotonen (Figuur 2). Ervan uitgaande dat 100% van de vermeende deeltjes vervalt tot fotonen, deze nieuwe analyse plaatst de sterkste bestaande limieten op de productie van axion-achtige deeltjes in het onderzochte massabereik tot nu toe.

Met de veel grotere dataset die verwacht wordt in de toekomst LHC-runs, natuurkundigen zullen de gevoeligheid van licht-voor-lichtverstrooiing voor fenomenen buiten het standaardmodel blijven onderzoeken.