Een nieuw resultaat van de ATLAS-samenwerking bij CERN bestudeert de interacties van fotonen - lichtdeeltjes - met loodkernen bij de Large Hadron Collider (LHC). Door gebruik te maken van nieuwe dataverzamelingstechnieken, natuurkundigen onthulden een onverwachte gelijkenis met de experimentele handtekeningen van het quark-gluon-plasma.

Wanneer in bedrijf, de LHC wijdt ongeveer een maand van het jaar aan botsende loden kernen. Deze configuratie geeft natuurkundigen de mogelijkheid om het quark-gluonplasma (QGP) te bestuderen, een intens hete en dichte fase van materie die ontstaat wanneer de kernen frontaal op elkaar botsen. Deze extreme omstandigheden bootsen die van het vroege heelal na tijdens de eerste microseconden na de oerknal. De QGP wordt goed begrepen door natuurkundigen:het evolueert als een bijna perfecte vloeistof, het getrouw behouden van de geometrische vorm die bij zijn vorming werd afgedrukt in een reeks patronen in de momentumverdeling van deeltjes aan het einde van zijn evolutie.

Maar wat gebeurt er als twee naderende lead-kernen elkaar amper missen? De loden kern, volledig ontdaan van zijn gebruikelijke omringende elektronen, bevat een grote elektrische lading die een verscheidenheid aan interessante processen kan veroorzaken. Het intense elektromagnetische veld van elke kern kan worden beschouwd als equivalent aan een flux van fotonen met grote energieën. Deze fotonen kunnen interageren met naderende fotonen van de andere kern, wat leidt tot, bijvoorbeeld, licht-door-licht verstrooiingsprocessen. In aanvulling, een hoogenergetisch foton kan ook direct de andere kern raken, wat leidt tot een exotische "fotonucleaire" botsing.

Tijdens de lead-lead run van de LHC in 2018, Natuurkundigen van ATLAS verdiepten zich in de unieke eigenschappen van fotonucleaire gebeurtenissen om een ​​grote steekproef voor studie te verzamelen. Omdat de deelnemende loodkern een momentum heeft dat tientallen keren groter is dan dat van het foton, de producten van deze botsingen worden "opgevoerd" (verschoven) in de richting van de loden kern. De gebeurtenisweergave hierboven toont de asymmetrische verdeling van deeltjes die in deze situatie resulteert. Dit kenmerk, Met een asymmetrisch patroon kunnen wetenschappers efficiënt de miljarden gewone symmetrische lood-loodbotsingen doorzoeken en de zeldzame fotonucleaire gebeurtenissen vinden.

In een recente publicatie, Natuurkundigen van ATLAS waren verrast toen ze zagen dat enkele van de meest energetische fotonucleaire botsingen aanwijzingen vertoonden voor het creëren van dezelfde hete en dichte QGP die wordt waargenomen bij frontale lood-loodbotsingen! specifiek, de deeltjes vertoonden een azimutale impulsanisotropie (v2) in het transversale vlak. Deze signatuur wordt traditioneel geïnterpreteerd als bewijs van QGP-vorming, omdat het ontstaat door drukgradiënten die groter zijn langs de ene as van de QGP dan de andere. Figuur 1 laat zien dat de v2-waarden in fotonucleaire gebeurtenissen vergelijkbaar zijn met die in proton-proton- en proton-loodbotsingen. Deze gegevens bieden een prikkelende suggestie dat quark-gluonplasma zelfs in deze exotische, kleine botsingssystemen.

De meeste theoretische modellen van deze impulsanisotropieën zijn gebaseerd op het feit dat de botsende lichamen gemaakt zijn van quarks en gluonen. Naief, het is verrassend om dergelijke effecten te vinden in een systeem waar een van de botsende deeltjes een eenvoudig, structuurloos foton! Echter, bij voldoende energieën, de golffunctie van het foton is een superpositie van vele toestanden, waaronder enkele die hadronen zijn (deeltjes bestaande uit quarks en gluonen). Dus, deze metingen bieden een botsingssysteem met een heel andere initiële structuur dan die traditioneel worden gebruikt om het quark-gluonplasma te bestuderen - en dienen als een test voor zowel experimentatoren als theoretici.