La creazione di materia nell'interazione di due fotoni appartiene a una classe di fenomeni molto rari. Dai dati dell'esperimento ATLAS all'LHC, raccolti con i nuovi rivelatori di protoni AFP alle più alte energie disponibili fino ad oggi, sta emergendo un quadro più accurato e più interessante dei fenomeni che si verificano durante le collisioni di fotoni.

Se punti una torcia luminosa verso un'altra, non ti aspetti nessun fenomeno spettacolare. I fotoni emessi da entrambe le torce si passano semplicemente l'uno accanto all'altro. Però, in certe collisioni che coinvolgono protoni ad alta energia la situazione è diversa. I fotoni emessi da due particelle in collisione possono interagire e creare una coppia di particelle di materia e antimateria. Tracce di processi come questi sono state appena osservate nell'esperimento ATLAS al Large Hadron Collider (LHC) del CERN vicino a Ginevra. Osservazioni precise sono state effettuate utilizzando il nuovo spettrometro AFP (ATLAS Forward Proton), sviluppato con la partecipazione significativa di scienziati dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia. I fisici polacchi, finanziato dal Centro Nazionale della Scienza e dal Ministero della Scienza e dell'Istruzione Superiore, sono stati coinvolti nello sviluppo di rivelatori AFP sin dalla concezione di questi dispositivi.

"Le osservazioni sulla creazione di particelle di materia e antimateria da radiazioni elettromagnetiche risalgono agli inizi della fisica nucleare, " dice il prof. Janusz Chwastowski, capo del team di fisici dell'IFJ PAN coinvolto nei rivelatori AFP.

Infatti, era il febbraio 1933 quando Patrick Blackett (Nobel 1948) e Giuseppe Occhialini riportarono un'osservazione della creazione di una coppia elettrone-positrone iniziata da un quanto di radiazione cosmica. La creazione di materia e antimateria è stata quindi notata prima del processo inverso, ovvero il famoso e spettacolare annientamento dei positroni. Le prime osservazioni di quest'ultimo furono fatte nell'agosto 1933 da Theodor Heiting, e tre mesi dopo da Frédéric Joliot.

"Negli eventi della creazione più comunemente registrati, un fotone si trasforma in una particella e un'antiparticella. In contrasto, il fenomeno che stiamo studiando è di natura diversa. La coppia particella-antiparticella nasce qui a causa dell'interazione di due fotoni. La possibilità di tali processi è stata segnalata per la prima volta da Gregory Breit e John A. Wheeler nel 1934, " continua il prof. Chwastowski.

Come una particella carica, il protone che si muove all'interno del tubo del fascio di LHC è circondato da un campo elettrico. Poiché i portatori delle interazioni elettromagnetiche sono i fotoni, il protone può essere trattato come un oggetto circondato da fotoni.

"Nel tubo del fascio di LHC, i protoni raggiungono velocità molto vicine a quella della luce. Un protone e il campo circostante subiscono la contrazione di Lorentz lungo la direzione del moto. Così, dal nostro punto di vista, un protone che si muove quasi alla velocità della luce è associato a oscillazioni particolarmente violente del campo elettromagnetico. Quando un tale protone si avvicina a un altro accelerato in direzioni opposte - e questa è la situazione di cui ci occupiamo all'LHC - può verificarsi un'interazione tra i fotoni, " spiega il dottor Rafal Staszewski (IFJ PAN).

All'LHC, collisioni di fasci di protoni altamente energetici si verificano in diversi punti, compreso quello situato all'interno del gigantesco rivelatore ATLAS. Se due fotoni si scontrano, il risultato potrebbe essere una coppia elettrone-positrone o una coppia muone-antimuone (un muone è circa 200 volte più massiccio di un elettrone). Queste particelle, che appartengono alla famiglia dei leptoni, prodotto a grandi angoli rispetto ai fasci di protoni, sono registrati all'interno del rivelatore ATLAS principale. Tali fenomeni sono stati osservati in precedenza all'LHC.

"Il punto è, abbiamo altri due protagonisti di processi a due fotoni! Questi sono, naturalmente, le sorgenti di fotoni, cioè i due protoni di passaggio. Così arriviamo all'essenza della nostra misurazione, " afferma il Dr. Staszewski e spiega:"Come risultato dell'emissione di fotoni, ogni protone perde un po' di energia ma, importante, praticamente non cambia la direzione del suo moto. Così, sfugge al rivelatore insieme ad altri protoni nel raggio. Però, il protone che ha emesso il fotone ha un'energia leggermente inferiore rispetto ai protoni del fascio. Perciò, il campo magnetico dell'acceleratore lo devia maggiormente, e questo significa che si allontana gradualmente dalla trave. Questi sono i protoni che stiamo cercando con i nostri spettrometri AFP".

Ognuna delle quattro unità di tracciamento AFP contiene quattro sensori:piastre di pixel semiconduttori da 16x20 mm, posti uno dietro l'altro. Un protone che passa attraverso i sensori deposita dell'energia e quindi attiva i pixel sul suo percorso. Analizzando tutti i pixel attivati, il percorso e le proprietà del protone possono essere ricostruiti.

La necessità di registrare protoni solo leggermente deviati dal fascio principale significa che gli spettrometri AFP devono essere inseriti direttamente all'interno del tubo del fascio di LHC, a pochi millimetri dai raggi circolanti.

"Quando si opera così vicino a un raggio di particelle con energie così elevate, devi essere consapevole dei rischi. Il più piccolo errore nel posizionamento dello spettrometro potrebbe provocare la bruciatura di un foro. Sarebbe molto sconvolgente, ma questo sarebbe davvero l'ultimo dei nostri problemi. I detriti risultanti contaminerebbero almeno una parte dell'acceleratore provocandone lo spegnimento per qualche tempo, " nota il prof. Chwastowski.

Le misurazioni qui descritte sono state effettuate con spettrometri AFP posti ad una distanza di circa 200 m dal punto in cui i protoni si sono scontrati.

"I protoni interagiscono all'LHC in molti modi. Di conseguenza, i protoni osservati negli spettrometri AFP possono originare da processi diversi da quelli associati alle interazioni fotone-fotone. Per cercare i protoni giusti, avevamo bisogno di avere una conoscenza precisa delle proprietà di ogni particella, " sottolinea il dottorando Krzysztof Ciesla (IFJ PAN), che si è occupato dell'analisi iniziale dei dati grezzi raccolti dagli spettrometri AFP nel 2017 e li ha convertiti in informazioni sulle energie e sui momenti dei protoni registrati. I risultati delle misurazioni dell'energia dei protoni sono stati quindi giustapposti con le energie della coppia di leptoni creata e, basata su principi di conservazione, è stato determinato se il protone osservato potesse essere la fonte del fotone interagente.

Le misurazioni con gli spettrometri AFP si sono rivelate altamente statisticamente significative, a nove deviazioni standard (sigma). Per confronto, una misurazione a cinque sigma di solito è sufficiente per annunciare una scoperta scientifica. Così, gli spettrometri AFP hanno superato con successo il test, dimostrato l'utilità del metodo e fornito molto interessante, anche se ancora poco chiaro, risultati. Si è scoperto che le previsioni teoriche non concordano pienamente con le caratteristiche determinate delle interazioni studiate. Chiaramente ci sono sfumature nascoste nei processi a due fotoni osservati nelle collisioni protone-protone ad alta energia che richiedono una migliore comprensione e ulteriori misurazioni.