Het ontstaan ​​van materie in een interactie van twee fotonen behoort tot een klasse van zeer zeldzame verschijnselen. Uit de gegevens van het ATLAS-experiment bij de LHC, verzameld met de nieuwe AFP-protondetectoren met de hoogste energieën die tot nu toe beschikbaar zijn, er komt een nauwkeuriger - en interessanter - beeld van de verschijnselen die optreden tijdens fotonbotsingen.

Als je een gloeiende zaklamp op een andere richt, je verwacht geen spectaculaire verschijnselen. De fotonen die door beide zaklampen worden uitgezonden, gaan gewoon langs elkaar heen. Echter, bij bepaalde botsingen met hoogenergetische protonen is de situatie anders. De fotonen die door twee botsende deeltjes worden uitgezonden, kunnen een interactie aangaan en een paar materie- en antimateriedeeltjes creëren. Sporen van dergelijke processen zijn zojuist waargenomen in het ATLAS-experiment bij de Large Hadron Collider (LHC) op CERN bij Genève. Nauwkeurige waarnemingen werden uitgevoerd met behulp van de nieuwe AFP (ATLAS Forward Proton) spectrometer, ontwikkeld met aanzienlijke deelname van wetenschappers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau. De Poolse natuurkundigen, gefinancierd door het National Science Center en het ministerie van Wetenschap en Hoger Onderwijs, zijn sinds het ontstaan ​​van deze apparaten betrokken bij de ontwikkeling van AFP-detectoren.

"Waarnemingen van het ontstaan ​​van materiedeeltjes en antimaterie door elektromagnetische straling gaan terug tot het begin van de kernfysica, " zegt prof. Janusz Chwastowski, hoofd van het team van natuurkundigen bij de IFJ PAN betrokken bij de AFP-detectoren.

Inderdaad, het was februari 1933 toen Patrick Blackett (Nobel 1948) en Giuseppe Occhialini een waarneming meldden van de vorming van een elektron-positron-paar, geïnitieerd door een kwantum van kosmische straling. Het ontstaan ​​van materie en antimaterie werd daarom eerder opgemerkt dan het omgekeerde proces, d.w.z. de beroemde en spectaculaire vernietiging van positronen. De eerste waarnemingen van de laatste werden gedaan in augustus 1933 door Theodor Heiting, en drie maanden later door Frédéric Joliot.

"In de meest geregistreerde gebeurtenissen van de schepping, een foton verandert in een deeltje en een antideeltje. In tegenstelling tot, het fenomeen dat we bestuderen is van een andere aard. Het deeltje-antideeltje-paar ontstaat hier door de interactie van twee fotonen. De mogelijkheid van dergelijke processen werd voor het eerst gemeld door Gregory Breit en John A. Wheeler in 1934, " vervolgt prof. Chwastowski.

Als een geladen deeltje het proton dat in de LHC-straalbuis beweegt, is omgeven door een elektrisch veld. Aangezien de dragers van elektromagnetische interacties fotonen zijn, het proton kan worden behandeld als een object omgeven door fotonen.

"In de LHC-straalpijp, protonen bereiken snelheden die zeer dicht bij de lichtsnelheid liggen. Een proton en het omringende veld ondergaan de Lorentz-contractie langs de bewegingsrichting. Dus, vanuit ons oogpunt, een proton dat met bijna de lichtsnelheid beweegt, gaat gepaard met bijzonder heftige oscillaties van het elektromagnetische veld. Wanneer zo'n proton een ander nadert dat in de tegenovergestelde richting is versneld - en dit is de situatie waarmee we te maken hebben bij de LHC - kan er een interactie tussen de fotonen optreden, " legt Dr. Rafal Staszewski (IFJ PAN) uit.

Bij de LHC, botsingen van hoogenergetische protonenbundels komen op meerdere plaatsen voor, inclusief degene die zich in de gigantische ATLAS-detector bevindt. Als twee fotonen botsen, het resultaat zou een elektron-positron-paar of een muon-antimuon-paar kunnen zijn (een muon is ongeveer 200 keer zwaarder dan een elektron). Deze deeltjes, die tot de leptonfamilie behoren, geproduceerd onder grote hoeken ten opzichte van de protonenbundels, worden opgenomen in de belangrijkste ATLAS-detector. Dergelijke verschijnselen zijn eerder waargenomen bij de LHC.

"Het punt is, we hebben nog twee protagonisten van twee-fotonprocessen! Dit zijn, van nature, de fotonbronnen, dat wil zeggen de twee passerende protonen. Zo komen we tot de essentie van onze meting, " zegt Dr. Staszewski en legt uit:"Als gevolg van de fotonenemissie, elk proton verliest wat energie, maar, belangrijk, het verandert praktisch niet de richting van zijn beweging. Dus, het ontsnapt aan de detector samen met andere protonen in de bundel. Echter, het proton dat het foton uitzond heeft een iets lagere energie dan de bundelprotonen. Daarom, het magnetische veld van de versneller buigt het meer af, en dit betekent dat het geleidelijk van de straal af beweegt. Dit zijn de protonen waar we naar op zoek zijn met onze AFP-spectrometers."

Elk van de vier AFP-tracking-eenheden bevat vier sensoren:16x20 mm halfgeleiderpixelplaten, achter elkaar geplaatst. Een proton dat door de sensoren gaat, deponeert wat energie en activeert zo de pixels op zijn pad. Door alle geactiveerde pixels te analyseren, het protonpad en de eigenschappen kunnen worden gereconstrueerd.

De noodzaak om protonen te registreren die slechts licht van de hoofdstraal zijn afgebogen, betekent dat de AFP-spectrometers direct in de LHC-straalpijp moeten worden ingebracht, slechts een paar millimeter verwijderd van de circulerende balken.

"Als je zo dicht bij een deeltjesbundel met zulke hoge energieën werkt, je moet je bewust zijn van de risico's. De kleinste fout in de positionering van de spectrometer kan ertoe leiden dat er een gat in brandt. Het zou erg vervelend zijn, maar dat zou echt het minste van onze problemen zijn. Het resulterende puin zou ten minste een deel van de versneller verontreinigen, waardoor deze enige tijd zou worden stilgelegd, " merkt prof. Chwastowski op.

De hier beschreven metingen zijn uitgevoerd met AFP-spectrometers die op een afstand van ongeveer 200 m van het punt waarop de protonen botsen, zijn geplaatst.

"Protonen interageren op vele manieren bij de LHC. Als gevolg hiervan, de protonen die in de AFP-spectrometers worden waargenomen, kunnen afkomstig zijn van andere processen dan die geassocieerd met foton-foton-interacties. Om de juiste protonen te zoeken, we moesten nauwkeurige kennis hebben over de eigenschappen van elk deeltje, " benadrukt promovendus Krzysztof Ciesla (IFJ PAN), die zich bezighield met de eerste analyse van de ruwe data verzameld door de AFP-spectrometers in 2017 en deze omzet in informatie over de energieën en momenta van de geregistreerde protonen. De resultaten van de protonenergiemetingen werden vervolgens afgewisseld met de energieën van het gecreëerde leptonpaar en, gebaseerd op instandhoudingsprincipes, er werd bepaald of het waargenomen proton de bron van het interactief foton zou kunnen zijn.

De metingen met de AFP-spectrometers bleken zeer statistisch significant, bij negen standaarddeviaties (sigma). Ter vergelijking, een meting van vijf sigma is meestal voldoende om een ​​wetenschappelijke ontdekking aan te kondigen. Dus, de AFP-spectrometers hebben de test met succes doorstaan, bewees het nut van de methode en leverde zeer interessante, hoewel nog onduidelijk, resultaten. Het bleek dat theoretische voorspellingen niet helemaal overeenkomen met de vastgestelde kenmerken van de onderzochte interacties. Het is duidelijk dat er verborgen nuances zijn in de twee-fotonprocessen die worden waargenomen bij proton-protonbotsingen met hoge energie die een beter begrip en verdere metingen vereisen.