Lo scattering luce per luce è un fenomeno molto raro in cui due fotoni interagiscono, producendo un'altra coppia di fotoni. Questo processo è stato tra le prime previsioni dell'elettrodinamica quantistica (QED), la teoria quantistica dell'elettromagnetismo, ed è vietato dalle teorie fisiche classiche (come la teoria dell'elettrodinamica di Maxwell).

La prova diretta della diffusione luce per luce ad alta energia si è dimostrata sfuggente per decenni, fino a quando il Large Hadron Collider (LHC) ha iniziato il suo secondo periodo di acquisizione dati (Run 2). Le collisioni di ioni piombo nell'LHC forniscono un ambiente straordinariamente pulito per studiare la diffusione luce per luce. Grappoli di ioni piombo accelerati a energia molto elevata sono circondati da un enorme flusso di fotoni. Infatti, l'azione coerente del gran numero di 82 protoni in un atomo di piombo con tutti gli elettroni spogliati (come nel caso degli ioni di piombo nell'LHC) dà luogo a un campo elettromagnetico fino a 10 ²⁵ Volt per metro. Quando due ioni di piombo passano vicini l'uno all'altro al centro del rilevatore ATLAS, ma a una distanza maggiore del doppio del raggio dello ione piombo, quei fotoni possono ancora interagire e disperdersi l'un l'altro senza ulteriori interazioni tra gli ioni di piombo, poiché la portata della forza forte (molto più forte) è legata al raggio di un singolo protone. Queste interazioni sono note come collisioni ultraperiferiche.

In un risultato pubblicato in Fisica della natura nel 2017, l'esperimento ATLAS al CERN ha trovato tredici eventi candidati per la diffusione luce per luce nei dati di collisione piombo-piombo registrati nel 2015, per gli eventi 2.6 previsti dai processi in background. Il significato corrispondente di questo risultato era di 4,4 deviazioni standard, il che lo rendeva la prima prova diretta di dispersione luce per luce ad alta energia.

Il 17 marzo 2019, al Rencontres de Moriond conferenza (La Thuile, Italia), l'esperimento ATLAS ha riportato il osservazione della diffusione luce per luce con un significato di 8,2 deviazioni standard. Il risultato utilizza i dati della più recente corsa agli ioni pesanti dell'LHC, che ha avuto luogo nel novembre 2018. Circa 3,6 volte più eventi (1,73 nb ⁻¹ ) sono stati raccolti rispetto al 2015. L'aumento della serie di dati, in combinazione con tecniche di analisi migliorate, ha permesso la misurazione della dispersione della luce per luce con una precisione notevolmente migliorata. Sono stati osservati un totale di 59 eventi candidati, per 12 eventi previsti dai processi in background. Da questi numeri, la sezione trasversale di questo processo, ristretto alla regione cinematica considerata nell'analisi, è stato calcolato come 78 ± 15 nb.

Curiosamente, la firma di questo processo – due fotoni in un rivelatore altrimenti vuoto – è quasi l'opposto degli eventi tremendamente ricchi e complessi tipicamente osservati nelle collisioni ad alta energia di due nuclei di piombo. Osservarlo ha richiesto lo sviluppo di algoritmi di trigger migliorati per una rapida selezione degli eventi online, così come un algoritmo di identificazione dei fotoni appositamente adattato utilizzando una rete neurale, in quanto i fotoni studiati hanno circa dieci volte meno energia dei fotoni a più bassa energia solitamente misurati con il rivelatore ATLAS. Essere in grado di registrare questi eventi dimostra la potenza e la flessibilità del rivelatore ATLAS e la sua ricostruzione degli eventi, che è stato progettato per topologie di eventi molto diverse.

Questa nuova misurazione apre le porte a ulteriori studi sul processo di diffusione luce per luce, che non è solo interessante di per sé come manifestazione di un fenomeno QED estremamente raro, ma può essere sensibile ai contributi di particelle oltre il Modello Standard. Consente una nuova generazione di ricerche di ipotetiche particelle luminose e neutre.