Le distribuzioni di k⊥ in diversi intervalli di centralità, dove i valori percentuali indicano la frazione di eventi in una data classe di centralità a partire dagli eventi più centrali (0-5%). Il pannello in basso a sinistra corrisponde agli eventi UPC. Il pT di entrambi i muoni nella coppia deve essere maggiore di 4 GeV. Le distribuzioni sono normalizzate in modo tale che l'integrale delle distribuzioni in ogni classe di centralità sia uguale al rapporto tra le coppie di dimuone in quella classe di centralità e il numero totale di coppie di dimuone in tutte le centralità (inclusi gli eventi UPC). Le linee rosse indicano gli accoppiamenti parametrizzati alle distribuzioni. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
Al Large Hadron Collider (LHC) del CERN, i campi elettromagnetici dei nuclei di piombo contratti da Lorentz nelle collisioni di ioni pesanti agiscono come intense sorgenti di fotoni ad alta energia, o particelle di luce. Questo ambiente consente ai fisici delle particelle di studiare i processi di scattering indotti da fotoni, che non si può studiare altrove.
Un processo chiave esaminato dai fisici dell'esperimento ATLAS prevede l'annichilazione di fotoni in coppie di muoni di carica opposta. Tali "processi a due fotoni" elettromagnetici sono tipicamente studiati in "collisioni ultraperiferiche" (UPC), dove la separazione trasversale tra i nuclei di piombo in collisione è maggiore della somma dei loro raggi, con conseguente assenza di interazioni forti dirette tra i nuclei in collisione. Ciò fornisce un ambiente pulito per lo studio delle interazioni elettromagnetiche ad alta energia e intensità. Però, questi processi a due fotoni sono presenti anche nelle collisioni in cui i due nuclei si sovrappongono ("eventi di collisione centrale") e producono plasma di quark-gluoni. I muoni prodotti possono, in linea di principio, interagiscono con le cariche nel plasma, rendendo le coppie di muoni create nei processi a due fotoni una sonda potenzialmente preziosa dei campi elettromagnetici nel plasma.
La collaborazione ATLAS ha recentemente rilasciato un nuovo, misurazione completa delle distribuzioni di coppie di muoni da processi di annichilazione a due fotoni, negli eventi di collisione UPC e non UPC. La misurazione utilizza il grande set di dati registrato durante le corse di ioni pesanti 2015 e 2018 dell'LHC.
I fisici di ATLAS hanno scoperto che le distribuzioni delle coppie di muoni variavano sistematicamente a seconda della "centralità" della collisione (una misura di come due nuclei si scontrano frontalmente). Questo comportamento è quantificato dall'osservabile k ? che rappresenta il momento trasversale della coppia di dimuoni perpendicolare alle direzioni dei muoni. La figura mostra la distribuzione di diverse classi di centralità, che vanno dagli eventi UPC agli eventi di collisione centrale.
Si osserva un cambiamento significativo nelle distribuzioni da UPC a eventi di collisione periferici a centrali. In particolare, per gli eventi UPC, i due muoni hanno maggiori probabilità di essere prodotti uno dietro l'altro, portando al k ? distribuzioni con picco a k ? =0 MeV. Però, in collisioni più centrali con interazioni adroniche, i due muoni hanno maggiori probabilità di avere un leggero spostamento dall'essere puramente back-to-back, risultante il k ? distribuzioni per avere un valore più probabile maggiore di zero. Il valore più probabile di k⊥ shift, a seconda della centralità dell'evento di collisione, da k ? =0 MeV negli eventi UPC a k ? =36 ± 1 MeV nelle collisioni più centrali 0-5%.
Queste misurazioni forniscono nuove informazioni sulla possibile interazione dei muoni in uscita con cariche o campi elettromagnetici presenti nel plasma di quark e gluoni. Però, calcoli recenti suggeriscono che effetti simili a quelli visti nei dati possono derivare da una combinazione dell'allargamento dello stato iniziale dei momenti trasversali del fotone e dal processo di produzione stesso. Sono necessarie analisi future e misurazioni aggiuntive per stabilire i meccanismi responsabili delle caratteristiche osservate nei dati.
