Lo scattering luce per luce è un fenomeno raro in cui due fotoni, particelle di luce, interagiscono, producendo un'altra coppia di fotoni. L'osservazione diretta di questo processo ad alta energia si era dimostrata sfuggente per decenni, fino a quando non è stato visto per la prima volta dall'esperimento ATLAS nel 2016 e stabilito nel 2019. In una nuova misurazione, I fisici di ATLAS stanno usando la diffusione luce per luce per cercare un fenomeno pubblicizzato oltre il modello standard della fisica delle particelle:particelle simili ad assioni.

Le collisioni di ioni piombo pesanti nel Large Hadron Collider (LHC) forniscono l'ambiente ideale per studiare la diffusione luce per luce. Quando i gruppi di ioni piombo vengono accelerati, viene generato un enorme flusso di fotoni circostanti corrispondente ad un campo elettrico con intensità fino a 10 ²⁵ volt per metro. Quando gli ioni di fasci opposti passano uno accanto all'altro al centro del rivelatore ATLAS, i loro fotoni circostanti possono interagire e disperdersi a vicenda. Poiché gli ioni piombo perdono solo una piccola frazione della loro energia in questo processo, gli ioni in uscita continuano il loro percorso intorno all'anello di LHC, invisibile dal rilevatore ATLAS. Queste interazioni sono note come collisioni ultraperiferiche. Questo porta a una firma dell'evento distinta, molto diverso dai tipici eventi di collisione di ioni piombo, con due fotoni back-to-back e nessuna ulteriore attività nel rivelatore.

Sulla base dei dati di collisione piombo-piombo registrati nel 2015, la collaborazione ATLAS ha trovato la prima prova diretta della diffusione luce per luce ad alta energia. Più recentemente la collaborazione ATLAS ha riportato l'osservazione della diffusione luce per luce con un significato di 8,2 deviazioni standard, utilizzando un ampio campione di dati prelevato nel 2018.

La collaborazione ATLAS ha studiato l'intero set di dati LHC Run-2 di collisioni di ioni pesanti per misurare la diffusione luce per luce con maggiore precisione e maggiori dettagli. Degli oltre cento miliardi di collisioni ultraperiferiche sondate, ATLAS ha osservato un totale di 97 eventi candidati, mentre 27 eventi sono attesi dai processi in background. Oltre al tasso di produzione (sezione trasversale), ATLAS ha misurato le energie e le distribuzioni angolari dei fotoni prodotti (ovvero la loro cinematica). Il risultato esplora una gamma più ampia di masse difotone, aumentando la resa del segnale prevista di circa il 50% rispetto alle precedenti misurazioni ATLAS.

La misurazione della diffusione luce per luce è sensibile ai processi oltre il Modello Standard, come particelle simili agli assioni. Si tratta di ipotetiche particelle (scalari) prive di spin con un numero quantico di parità dispari (il bosone di Higgs, Per esempio, è uno scalare con parità pari) e interazioni tipicamente deboli con le particelle del Modello Standard. Nel nuovo risultato ATLAS, i fisici hanno considerato se le coppie di fotoni interagenti producono particelle simili ad assioni (a) mentre si disperdono l'una dall'altra (γγ → a → γγ), che porterebbe ad un eccesso di eventi di scattering con massa del difotone uguale alla massa di a. Hanno esaminato la distribuzione di massa del difotone per un intervallo di massa compreso tra 6 e 100 GeV. Nell'analisi non è stato riscontrato alcun eccesso significativo di eventi rispetto allo sfondo previsto. I fisici di ATLAS sono stati in grado di ricavare, a un livello di confidenza del 95%, un limite di esclusione delle particelle simili agli assioni che si accoppiano ai fotoni (Figura 2). Supponendo che il 100% delle presunte particelle decada in fotoni, questa nuova analisi pone i più forti limiti esistenti alla produzione di particelle simili agli assioni nell'intervallo di massa esaminato fino ad oggi.

Con il set di dati molto più ampio previsto per le future esecuzioni di LHC, i fisici continueranno a esplorare la sensibilità della diffusione luce per luce a fenomeni oltre il Modello Standard.