I fisici dell'esperimento ATLAS al CERN hanno trovato la prima prova diretta della diffusione luce per luce ad alta energia, un processo molto raro in cui due fotoni – particelle di luce – interagiscono e cambiano direzione. Il risultato, pubblicato oggi in Fisica della natura , conferma una delle previsioni più antiche dell'elettrodinamica quantistica (QED).

"Questo è un risultato fondamentale:la prima prova diretta di luce che interagisce con se stessa ad alta energia, " dice Dan Tovey (Università di Sheffield), Coordinatore di Fisica ATLAS. "Questo fenomeno è impossibile nelle teorie classiche dell'elettromagnetismo; quindi questo risultato fornisce un test sensibile della nostra comprensione della QED, la teoria quantistica dell'elettromagnetismo".

Le prove dirette della diffusione luce per luce ad alta energia si sono dimostrate elusive per decenni, fino a quando la seconda corsa del Large Hadron Collider è iniziata nel 2015. Quando l'acceleratore ha fatto scontrare ioni di piombo a tassi di collisione senza precedenti, ottenere prove per la diffusione luce per luce è diventata una possibilità reale. "Questa misurazione è stata di grande interesse per le comunità di fisica degli ioni pesanti e delle alte energie per diversi anni, poiché i calcoli di diversi gruppi hanno mostrato che potremmo ottenere un segnale significativo studiando le collisioni di ioni piombo nella corsa 2, " dice Peter Steinberg (Laboratorio nazionale di Brookhaven), Convener del gruppo di fisica degli ioni pesanti ATLAS.

Le collisioni di ioni pesanti forniscono un ambiente pulito in modo unico per studiare la diffusione luce per luce. Quando i gruppi di ioni piombo vengono accelerati, viene generato un enorme flusso di fotoni circostanti. Quando gli ioni si incontrano al centro del rivelatore ATLAS, pochissimi si scontrano, tuttavia i loro fotoni circostanti possono interagire e disperdersi l'un l'altro. Queste interazioni sono note come "collisioni ultraperiferiche".

Studiare più di 4 miliardi di eventi presi nel 2015, la collaborazione ATLAS ha trovato 13 candidati per la diffusione luce per luce. Questo risultato ha un significato di 4,4 deviazioni standard, permettendo alla collaborazione ATLAS di riportare la prima evidenza diretta di questo fenomeno ad alta energia.

"Trovare prove di questa rara firma ha richiesto lo sviluppo di un nuovo 'trigger' sensibile per il rivelatore ATLAS, " dice Steinberg. "La firma risultante - due fotoni in un rivelatore altrimenti vuoto - è quasi l'opposto diametralmente degli eventi tremendamente complicati tipicamente attesi dalle collisioni dei nuclei di piombo. Il successo del nuovo trigger nella selezione di questi eventi dimostra la potenza e la flessibilità del sistema, così come l'abilità e la competenza dei gruppi di analisi e trigger che l'hanno progettata e sviluppata."

I fisici di ATLAS continueranno a studiare la diffusione luce per luce durante l'imminente corsa agli ioni pesanti di LHC, previsto per il 2018. Ulteriori dati miglioreranno ulteriormente la precisione del risultato e potrebbero aprire una nuova finestra per studi di nuova fisica. Inoltre, lo studio delle collisioni ultraperiferiche dovrebbe svolgere un ruolo maggiore nel programma LHC per gli ioni pesanti, poiché i tassi di collisione aumentano ulteriormente nella corsa 3 e oltre.