Новые данные ATLAS об упругом рассеянии света на свете

Пятница, 22 марта 2019

Эксперимент ATLAS, проводимый на Большом адронном коллайдере (БАК), представил новый результат о рассеянии света на свете – процессе, запрещенном в классической физике, но возможном в квантовой. Статистическая значимость наблюдения превышает восемь стандартных отклонений. Измерена вероятность протекания (сечение) данного процесса.

Обычно эксперименты по взаимодействию тяжелых ионов – атомных ядер, очищенных от электронов, характеризуются огромным количеством родившихся вторичных частиц. Однако для таких систем взаимодействующих частиц возможны и очень «чистые» каналы, пригодные как для проверки предсказаний квантовой теории и поиска указаний на существование новых частиц. Упругое рассеяние света на свете (фотона на фотоне, процесс γγγγ) – один из таких феноменов. Классическая электродинамика (уравнения Максвелла) запрещает прямое взаимодействие двух электромагнитных полей, однако процесс взаимодействия, когда в начальном и конечном состоянии имеются только два фотона (квант света, безмассовая частица -  переносчик электромагнитного взаимодействия), несмотря на отсутствие у них электрического заряда, возможен, если перейти на квантовый уровень. Квантовая электродинамика (КЭД) предсказывает этот эффект и объясняет механизм его возникновения: на малых расстояниях пара фотонов сначала превращается в две пары частица-античастица, которые затем снова превращаются в пару фотонов.

На сегодняшней день эффекты взаимодействия фотонов друг с другом надежно установлены. Например, рассеяние фотонов кулоновским полем ядра (дельбрюковское рассеяние) было открыто в 50-х годах прошлого века; известен эффект расщепления фотона на два в поле ядра. Эксперименты, начавшиеся еще в 1980-х годах в SLAC (Стэнфорд) и др. продолжились в 1990-х на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP, ЦЕРН), где исследовали эффекты рождения адронов во взаимодействиях фотонов. Наконец, расчеты электрического дипольного момента электрона и мюона не обходятся без учета вклада от рассеяния фотонов друг на друге. Однако прямое упругое рассеяние двух фотонов до последнего времени экспериментально не наблюдали.

Процесс упругого рассеяния двух фотонов очень редкий, и для его регистрации необходимы сильные потоки фотонов. На сегодняшний день единственной доступной возможностью создать такие пучки является взаимодействие пучков тяжелый ионов высоких энергий. Такие исследования ведутся на БАК, где экспериментаторы помимо протон-протонных экспериментов сталкивают и ионы свинца. В ядре свинца содержится 82 протона, а значит вокруг такого ядра существует электромагнитное поле сверхвысокой напряженности (до 1025 В/м). Именно эти электромагнитные поля и взаимодействуют, когда ионы пролетают мимо друг друга, а сами ионы в результате такого взаимодействия не разваливаются. Такой тип взаимодействия называют ультра-периферическим.

Первое экспериментальное указание на то, что процесс упругого рассеяния света на свете идет, представил в 2017 году эксперимент ATLAS. Статистическая значимость чуть-чуть не дотягивала до канонических «пяти сигм», когда можно говорить об открытии (она составляла 4,4 стандартных отклонения). Затем, в 2018 эксперимент CMS также сообщил о том, что видит указание на этот процесс с уровнем значимости 4,2σ. И вот, в 2019 году, на конференции Rencontres de Moriond этот же эксперимент объявил, что проанализировав данные, собранные в ноябре 2018 года в ходе специального сеанса на встречных пучках ядер свинца, установлено существование эффекта фотонного рассеяния на уровне 8,2σ. Набранная статистика увеличилась в 3,6 раза по сравнению с предыдущими измерениями. Представленные данные носят пока предварительный характер. В будущем они будут опубликованы в реферируемом журнале.

События упругого фотон-фотонного рассеяния существенно отличаются от типичной картины взаимодействия пучков тяжелых ионов. Они выглядят как два фотона высоких энергий и практически «пустой» остальной детектор. Типичный отклик детектора на такое событие показан на рисунке 1. Для того чтобы эффективно выделять подобные события, физикам пришлось разработать специальный алгоритм онлайн отбора событий (триггер). Всего ученым удалось собрать 59 событий-кандидатов при ожидаемом уровне фона в 12 событий. Важно было учесть два источника фона:

Используя эти события физики рассчитали сечение (вероятность протекания) такого процесса для кинематических условий установки ATLAS. Оно составило 78 ± 15 нанобарн.

В дальнейшем, ученые рассчитывают улучшить свои знания о таких процессах, ведь их сечения имеют хорошие теоретические предсказания, а значит становится возможным поиск расхождений между теорией и экспериментом. Фактически, открыта новая страница в поиске проявлений Новой физики. Недавно эта тематика исследований обсуждалась на объединенном семинаре Отделения физики высоких энергий и Отделения теоретической физики НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. Также следует отметить, что сотрудники ОФВЭ принимают активное участие в работе ATLAS и CMS, внося таким образом свой вклад в возможность проведения этих экспериментальных работ.

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт