Op het punt om een ​​87 jaar oude voorspelling te bewijzen dat materie rechtstreeks uit licht kan worden gegenereerd, Natuurkundigen van Rice University en hun collega's hebben gedetailleerd beschreven hoe dat proces toekomstige studies van primordiaal plasma en fysica buiten het standaardmodel kan beïnvloeden.

"We kijken in wezen naar botsingen van licht, " zei Wei Li, een universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie bij Rice en co-auteur van de studie gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

"We weten van Einstein dat energie kan worden omgezet in massa, " zei Li, een deeltjesfysicus die met honderden collega's samenwerkt aan experimenten met hoogenergetische deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider (LHC) van de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek en de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) van Brookhaven National Laboratory.

Versnellers zoals RHIC en LHC zetten energie routinematig om in materie door stukjes atomen met de snelheid van het licht te versnellen en tegen elkaar aan te slaan. De ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012 bij de LHC is een opmerkelijk voorbeeld. Destijds, het Higgs was het laatste niet-waargenomen deeltje in het standaardmodel, een theorie die de fundamentele krachten en bouwstenen van atomen beschrijft.

Indrukwekkend als het is, natuurkundigen weten dat het standaardmodel slechts ongeveer 4% van de materie en energie in het universum verklaart. Li zei de studie van deze week, waarvan de hoofdauteur was van Rice postdoctoraal onderzoeker Shuai Yang, heeft implicaties voor de zoektocht naar natuurkunde buiten het standaardmodel.

"Er zijn kranten die voorspellen dat je nieuwe deeltjes kunt creëren uit deze ionenbotsingen, dat we in deze botsingen zo'n hoge dichtheid van fotonen hebben dat deze foton-foton-interacties nieuwe fysica kunnen creëren die verder gaan dan in het standaardmodel, ' zei Li.

Yang zei, "Om op zoek te gaan naar nieuwe fysica, men moet standaardmodelprocessen heel precies begrijpen. Het effect dat we hier hebben gezien, is niet eerder overwogen toen mensen hebben voorgesteld om foton-foton-interacties te gebruiken om nieuwe fysica te zoeken. En het is ontzettend belangrijk om daar rekening mee te houden."

Het effect dat Yang en collega's hebben beschreven, treedt op wanneer natuurkundigen tegengestelde bundels van zware ionen in tegengestelde richtingen versnellen en de bundels op elkaar richten. De ionen zijn kernen van massieve elementen zoals goud of lood, en ionenversnellers zijn bijzonder nuttig voor het bestuderen van de sterke kracht, die fundamentele bouwstenen, quarks genaamd, bindt in de neutronen en protonen van atoomkernen. Natuurkundigen hebben zware ionenbotsingen gebruikt om die interacties te overwinnen en zowel quarks als gluonen te observeren, de deeltjes quarks wisselen uit wanneer ze interageren via de sterke kracht.

Maar kernen zijn niet de enige dingen die botsen in zware ionenversnellers. Ionenstralen produceren ook elektrische en magnetische velden die elke kern in de straal omhullen met zijn eigen lichtwolk. Deze wolken bewegen met de kernen, en wanneer wolken van tegengestelde stralen elkaar ontmoeten, individuele lichtdeeltjes, fotonen genaamd, kunnen elkaar frontaal ontmoeten.

In een PRL studie gepubliceerd in juli, Yang en collega's gebruikten gegevens van RHIC om aan te tonen dat foton-fotonbotsingen materie produceren uit pure energie. In de experimenten, de lichte botsingen vonden plaats samen met kernbotsingen die een oersoep creëerden die quark-gluonplasma wordt genoemd, of QGP.

"Bij RHIC, je kunt de foton-fotonbotsing zijn massa laten creëren op hetzelfde moment als de vorming van quark-gluonplasma, " zei Yang. "Dus, je creëert deze nieuwe massa in het quark-gluon-plasma."

Yang's Ph.D. proefschrift over de RHIC-gegevens gepubliceerd in PRL in 2018 suggereerde dat fotonbotsingen het plasma op een lichte maar meetbare manier zouden kunnen beïnvloeden. Li zei dat dit zowel intrigerend als verrassend was, omdat de fotonbotsingen een elektromagnetisch fenomeen zijn, en quark-gluon plasma's worden gedomineerd door de sterke kracht, die veel krachtiger is dan de elektromagnetische kracht.

"Om sterk te interageren met quark-gluon-plasma, alleen een elektrische lading hebben is niet genoeg, "Zei Li. "Je verwacht niet dat het een sterke wisselwerking zal hebben met quark-gluon-plasma."

Hij zei dat er verschillende theorieën werden aangeboden om de onverwachte bevindingen van Yang te verklaren.

"Een voorgestelde verklaring is dat de foton-foton-interactie er anders uit zal zien, niet vanwege quark-gluon-plasma, maar omdat de twee ionen gewoon dichter bij elkaar komen, " zei Li. "Het is gerelateerd aan kwantumeffecten en hoe de fotonen met elkaar omgaan."

Als kwantumeffecten de anomalieën hadden veroorzaakt, Yang vermoedde, ze konden detecteerbare interferentiepatronen creëren wanneer ionen elkaar ternauwernood misten, maar fotonen uit hun respectieve lichtwolken botsten.

"Dus de twee ionen, ze raken elkaar niet rechtstreeks, ' zei Yang. 'Ze komen echt voorbij. Het heet een ultraperifere botsing, omdat de fotonen botsen maar de ionen elkaar niet raken."

Theorie suggereerde dat kwantuminterferentiepatronen van ultraperifere foton-fotonbotsingen zouden moeten variëren in directe verhouding tot de afstand tussen de passerende ionen. Met behulp van gegevens van het Compact Muon Solenoid (CMS)-experiment van de LHC, Yang, Li en collega's ontdekten dat ze deze afstand konden bepalen, of impactparameter, door iets heel anders te meten.

"De twee ionen, als ze dichterbij komen, er is een grotere kans dat het ion opgewonden raakt en neutronen gaat uitzenden, die recht langs de straallijn gaan, "Zei Li. "We hebben hier een detector voor bij CMS."

Elke ultraperifere foton-foton-botsing produceert een paar deeltjes die muonen worden genoemd en die doorgaans in tegengestelde richtingen vanaf de botsing vliegen. Zoals voorspeld door de theorie, Yang, Li en collega's ontdekten dat kwantuminterferentie de vertrekhoek van de muonen vervormde. En hoe korter de afstand tussen de bijna-missies, hoe groter de vervorming.

Li zei dat het effect voortkomt uit de beweging van de botsende fotonen. Hoewel elk in de richting van de bundel beweegt met zijn gastheerion, fotonen kunnen zich ook van hun gastheren verwijderen.

"De fotonen hebben beweging in de loodrechte richting, te, "zei hij. "En het blijkt, precies, dat die loodrechte beweging sterker wordt naarmate de impactparameter kleiner en kleiner wordt.

"Hierdoor lijkt het alsof iets de muonen aanpast, " zei Li. "Het lijkt alsof de ene vanuit een andere hoek gaat dan de andere, maar dat is het echt niet. Het is een artefact van de manier waarop de beweging van het foton veranderde, loodrecht op de bundelrichting, vóór de botsing die de muonen maakte."

Yang zei dat de studie de meeste anomalieën verklaart die hij eerder identificeerde. In de tussentijd, de studie bracht een nieuw experimenteel hulpmiddel tot stand voor het beheersen van de impactparameter van fotoninteracties die verstrekkende gevolgen zullen hebben.

"We kunnen gerust stellen dat de meerderheid afkomstig was van dit QED-effect, " zei hij. "Maar dat sluit niet uit dat er nog steeds effecten zijn die verband houden met het quark-gluonplasma. Dit werk geeft ons een zeer nauwkeurige basislijn, maar we hebben preciezere gegevens nodig. We hebben nog minstens 15 jaar om QGP-gegevens te verzamelen bij CMS, en de precisie van de gegevens zal steeds hoger worden."