Durante la Conferenza Internazionale sulla Fisica delle Alte Energie (ICHEP 2020), la collaborazione ATLAS ha presentato la prima osservazione di collisioni di fotoni che producono coppie di bosoni W, particelle elementari che trasportano la forza debole, una delle quattro forze fondamentali. Il risultato dimostra un nuovo modo di utilizzare l'LHC, vale a dire come un collisore di fotoni ad alta energia che sonda direttamente le interazioni elettrodeboli. Conferma una delle principali previsioni della teoria elettrodebole - che i portatori di forza possono interagire con se stessi - e fornisce nuovi modi per sondarla.

Secondo le leggi dell'elettrodinamica classica, due fasci di luce che si intersecano non deviano, assorbirsi o disgregarsi a vicenda. Però, effetti dell'elettrodinamica quantistica (QED), la teoria che spiega come la luce e la materia interagiscono, consentono interazioni tra fotoni.

Infatti, non è la prima volta che all'LHC vengono studiati fotoni che interagiscono ad alte energie. Ad esempio, "scattering" luce per luce dove una coppia di fotoni interagiscono producendo un'altra coppia di fotoni, è una delle previsioni più antiche di QED. La prima prova diretta della diffusione luce per luce è stata riportata da ATLAS nel 2017, sfruttando i forti campi elettromagnetici che circondano gli ioni di piombo in collisioni piombo-piombo ad alta energia. Nel 2019 e nel 2020, ATLAS ha studiato ulteriormente questo processo misurandone le proprietà.

Il nuovo risultato riportato a questa conferenza è sensibile a un altro raro fenomeno in cui due fotoni interagiscono per produrre due bosoni W di carica elettrica opposta tramite (tra l'altro) l'interazione di quattro portatori di forza. I fotoni quasi reali dei fasci di protoni si disperdono l'uno sull'altro per produrre una coppia di bosoni W. Un primo studio di questo fenomeno è stato precedentemente segnalato da ATLAS e CMS nel 2016, dai dati registrati durante LHC Run 1, ma era necessario un set di dati più ampio per osservarlo senza ambiguità.

L'osservazione è stata ottenuta con un'evidenza statistica altamente significativa di 8,4 deviazioni standard, corrispondente a una possibilità trascurabile di essere dovuto a una fluttuazione statistica. I fisici di ATLAS hanno utilizzato un set di dati considerevolmente più grande preso durante la corsa 2, la raccolta dati quadriennale nell'LHC conclusasi nel 2018, e sviluppato un metodo di analisi personalizzato.

A causa della natura del processo di interazione, le uniche tracce di particelle visibili nel rivelatore centrale sono i prodotti di decadimento dei due bosoni W, un elettrone e un muone di carica elettrica opposta. Le coppie di bosoni W possono anche essere prodotte direttamente dalle interazioni tra quark e gluoni nei protoni in collisione molto più spesso che dalle interazioni fotone-fotone, ma questi sono accompagnati da tracce aggiuntive da processi di forte interazione. Ciò significa che i fisici di ATLAS hanno dovuto districare attentamente le tracce di collisione per osservare questo raro fenomeno.

"Questa osservazione apre un nuovo aspetto dell'esplorazione sperimentale all'LHC utilizzando i fotoni nello stato iniziale", disse Karl Jakobs, portavoce della collaborazione ATLAS. "È unico in quanto coinvolge solo gli accoppiamenti tra i portatori di forza elettrodebole nell'ambiente dominato dall'interazione forte dell'LHC. Con set di dati futuri più grandi può essere utilizzato per sondare in modo pulito la struttura del calibro elettrodebole e i possibili contributi della nuova fisica. "

Infatti, il nuovo risultato conferma una delle principali previsioni della teoria elettrodebole, vale a dire che, oltre ad interagire con le ordinarie particelle di materia, i portatori di forza, noti anche come bosoni di gauge, i bosoni W, anche il bosone Z e il fotone interagiscono tra loro. Le collisioni di fotoni forniranno un nuovo modo per testare il Modello Standard e per sondare la nuova fisica, che è necessario per una migliore comprensione dell'universo.