Tijdens de International Conference on High-Energy Physics (ICHEP 2020), de ATLAS-samenwerking presenteerde de eerste waarneming van fotonbotsingen die paren W-bosonen produceerden, elementaire deeltjes die de zwakke kracht dragen, een van de vier fundamentele krachten. Het resultaat demonstreert een nieuwe manier om de LHC te gebruiken, namelijk als een hoogenergetische fotonenversneller die direct elektrozwakke interacties onderzoekt. Het bevestigt een van de belangrijkste voorspellingen van de elektrozwakke theorie - dat krachtdragers met zichzelf kunnen interageren - en biedt nieuwe manieren om het te onderzoeken.

Volgens de wetten van de klassieke elektrodynamica, twee elkaar kruisende lichtstralen zouden niet afbuigen, elkaar absorberen of verstoren. Echter, effecten van kwantumelektrodynamica (QED), de theorie die verklaart hoe licht en materie op elkaar inwerken, interactie tussen fotonen mogelijk maken.

Inderdaad, het is niet de eerste keer dat fotonen die met hoge energie op elkaar inwerken, zijn bestudeerd in de LHC. Bijvoorbeeld, licht-voor-licht "verstrooiing", waar een paar fotonen op elkaar inwerken door een ander paar fotonen te produceren, is een van de oudste voorspellingen van QED. Het eerste directe bewijs van licht-door-lichtverstrooiing werd door ATLAS in 2017 gerapporteerd, gebruikmakend van de sterke elektromagnetische velden die loodionen omringen bij hoogenergetische lood-loodbotsingen. In 2019 en 2020, ATLAS heeft dit proces verder onderzocht door de eigenschappen ervan te meten.

Het nieuwe resultaat dat op deze conferentie is gerapporteerd, is gevoelig voor een ander zeldzaam fenomeen waarbij twee fotonen op elkaar inwerken om twee W-bosonen met tegengestelde elektrische lading te produceren via (onder andere) de interactie van vier krachtdragers. Quasi-reële fotonen van de protonenbundels verstrooien elkaar om een ​​paar W-bosonen te produceren. Een eerste onderzoek naar dit fenomeen werd eerder gerapporteerd door ATLAS en CMS in 2016, van gegevens die zijn opgenomen tijdens LHC Run 1, maar er was een grotere dataset nodig om het ondubbelzinnig waar te nemen.

De waarneming werd verkregen met een zeer significant statistisch bewijs van 8,4 standaarddeviaties, overeenkomend met een verwaarloosbare kans dat het te wijten is aan een statistische fluctuatie. Natuurkundigen van ATLAS gebruikten een aanzienlijk grotere dataset die tijdens run 2 was genomen, de vierjarige dataverzameling in de LHC die eindigde in 2018, en ontwikkelde een analysemethode op maat.

Vanwege de aard van het interactieproces, de enige deeltjessporen die zichtbaar zijn in de centrale detector zijn de vervalproducten van de twee W-bosonen, een elektron en een muon met tegengestelde elektrische lading. W-bosonparen kunnen ook aanzienlijk vaker rechtstreeks worden geproduceerd uit interacties tussen quarks en gluonen in de botsende protonen dan uit foton-foton-interacties, maar deze gaan vergezeld van extra sporen uit sterke interactieprocessen. Dit betekent dat de ATLAS-natuurkundigen zorgvuldig botsingssporen moesten ontwarren om dit zeldzame fenomeen te kunnen waarnemen.

"Deze waarneming opent een nieuw facet van experimentele verkenning bij de LHC met behulp van fotonen in de begintoestand", zei Karl Jakobs, woordvoerder van de ATLAS-samenwerking. "Het is uniek omdat het alleen koppelingen betreft tussen elektrozwakke krachtdragers in de door sterke interactie gedomineerde omgeving van de LHC. Met grotere toekomstige datasets kan het worden gebruikt om op een schone manier de elektrozwakke meetstructuur en mogelijke bijdragen van nieuwe fysica te onderzoeken. "

Inderdaad, het nieuwe resultaat bevestigt een van de belangrijkste voorspellingen van de elektrozwakke theorie, namelijk dat, naast interactie met gewone materiedeeltjes, de krachtdragers, ook bekend als ijkbosonen - de W-bosonen, het Z-boson en het foton hebben ook interactie met elkaar. Fotonbotsingen zullen een nieuwe manier bieden om het standaardmodel te testen en te zoeken naar nieuwe fysica, die nodig is voor een beter begrip van het heelal.