Sulla scia di dimostrare una previsione di 87 anni che la materia può essere generata direttamente dalla luce, I fisici della Rice University e i loro colleghi hanno dettagliato come tale processo potrebbe avere un impatto sugli studi futuri sul plasma primordiale e sulla fisica oltre il Modello Standard.

"Stiamo essenzialmente osservando collisioni di luce, " ha detto Wei Li, professore associato di fisica e astronomia alla Rice e coautore dello studio pubblicato su Lettere di revisione fisica .

"Sappiamo da Einstein che l'energia può essere convertita in massa, " disse Li, un fisico delle particelle che collabora con centinaia di colleghi su esperimenti con acceleratori di particelle ad alta energia come il Large Hadron Collider (LHC) dell'Organizzazione europea per la ricerca nucleare e il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) del Brookhaven National Laboratory.

Acceleratori come RHIC e LHC trasformano abitualmente l'energia in materia accelerando pezzi di atomi vicini alla velocità della luce e frantumandoli l'uno contro l'altro. La scoperta nel 2012 della particella di Higgs all'LHC è un esempio notevole. Al tempo, l'Higgs era l'ultima particella non osservata nel Modello Standard, una teoria che descrive le forze fondamentali e gli elementi costitutivi degli atomi.

Impressionante com'è, i fisici sanno che il Modello Standard spiega solo il 4% circa della materia e dell'energia nell'universo. Li ha detto che lo studio di questa settimana, che è stato scritto dal ricercatore post-dottorato di Rice Shuai Yang, ha implicazioni per la ricerca della fisica oltre il Modello Standard.

"Ci sono documenti che prevedono che è possibile creare nuove particelle da queste collisioni di ioni, che abbiamo una densità di fotoni così alta in queste collisioni che queste interazioni fotone-fotone possono creare nuova fisica oltre il Modello Standard, " disse Li.

Yang ha detto, "Per cercare nuova fisica, è necessario comprendere i processi del Modello Standard in modo molto preciso. L'effetto che abbiamo visto qui non è stato considerato in precedenza quando le persone hanno suggerito di utilizzare le interazioni fotone-fotone per cercare nuova fisica. Ed è estremamente importante tenerne conto".

L'effetto descritto da Yang e colleghi si verifica quando i fisici accelerano fasci opposti di ioni pesanti in direzioni opposte e puntano i fasci l'uno verso l'altro. Gli ioni sono nuclei di elementi massicci come l'oro o il piombo, e gli acceleratori di ioni sono particolarmente utili per studiare la forza forte, che lega i mattoni fondamentali chiamati quark nei neutroni e nei protoni dei nuclei atomici. I fisici hanno usato collisioni di ioni pesanti per superare queste interazioni e osservare sia quark che gluoni, le particelle si scambiano quark quando interagiscono tramite la forza forte.

Ma i nuclei non sono le uniche cose che si scontrano negli acceleratori di ioni pesanti. I fasci di ioni producono anche campi elettrici e magnetici che avvolgono ogni nucleo del fascio con la propria nuvola di luce. Queste nuvole si muovono con i nuclei, e quando le nuvole di raggi opposti si incontrano, singole particelle di luce chiamate fotoni possono incontrarsi frontalmente.

In un PRL studio pubblicato a luglio, Yang e colleghi hanno utilizzato i dati di RHIC per dimostrare che le collisioni fotone-fotone producono materia da pura energia. Negli esperimenti, le collisioni di luce si sono verificate insieme a collisioni di nuclei che hanno creato una zuppa primordiale chiamata plasma di quark-gluoni, o QGP.

"Al RHIC, puoi fare in modo che la collisione fotone-fotone crei la sua massa contemporaneamente alla formazione del plasma di quark-gluoni, " Yang ha detto. "Quindi, stai creando questa nuova massa all'interno del plasma di quark e gluoni."

Il dottorato di Yang lavoro di tesi sui dati RHIC pubblicato in PRL nel 2018 ha suggerito che le collisioni di fotoni potrebbero influenzare il plasma in modo leggero ma misurabile. Li ha detto che questo era sia intrigante che sorprendente, perché le collisioni di fotoni sono un fenomeno elettromagnetico, e i plasmi di quark-gluoni sono dominati dalla forza forte, che è molto più potente della forza elettromagnetica.

"Per interagire fortemente con il plasma di quark e gluoni, avere solo la carica elettrica non basta, " Disse Li. "Non ti aspetti che interagisca molto fortemente con il plasma di quark e gluoni."

Ha detto che una varietà di teorie sono state offerte per spiegare le scoperte inaspettate di Yang.

"Una spiegazione proposta è che l'interazione fotone-fotone avrà un aspetto diverso non a causa del plasma di quark-gluoni, ma poiché i due ioni si avvicinano solo l'uno all'altro, " Ha detto Li. "È legato agli effetti quantistici e al modo in cui i fotoni interagiscono tra loro".

Se gli effetti quantistici avessero causato le anomalie, Yang ha supposto, potrebbero creare schemi di interferenza rilevabili quando gli ioni si sono persi di poco l'un l'altro ma i fotoni delle rispettive nuvole luminose si sono scontrati.

"Quindi i due ioni, non si colpiscono direttamente, " Yang ha detto. "In realtà passano. Si chiama collisione ultraperiferica, perché i fotoni si scontrano ma gli ioni non si colpiscono l'un l'altro".

La teoria suggerisce che i modelli di interferenza quantistica delle collisioni fotone-fotone ultraperiferiche dovrebbero variare in proporzione diretta alla distanza tra gli ioni in transito. Utilizzando i dati dell'esperimento Compact Muon Solenoid (CMS) di LHC, Yang, Li e colleghi hanno scoperto di poter determinare questa distanza, o parametro di impatto, misurando qualcosa di completamente diverso.

"I due ioni, mentre si avvicinano, c'è una maggiore probabilità che lo ione possa eccitarsi e iniziare a emettere neutroni, che scendono dritti lungo la linea del raggio, " Disse Li. "Abbiamo un rilevatore per questo al CMS."

Ogni collisione fotone-fotone ultraperiferica produce una coppia di particelle chiamate muoni che tipicamente volano dalla collisione in direzioni opposte. Come previsto dalla teoria, Yang, Li e colleghi hanno scoperto che l'interferenza quantistica distorceva l'angolo di partenza dei muoni. E più breve è la distanza tra gli ioni mancanti, maggiore è la distorsione.

Li ha detto che l'effetto deriva dal movimento dei fotoni in collisione. Sebbene ciascuno si muova nella direzione del raggio con il suo ione ospite, i fotoni possono anche allontanarsi dai loro ospiti.

"I fotoni hanno movimento nella direzione perpendicolare, pure, " ha detto. "E si scopre, Esattamente, che quel movimento perpendicolare diventa più forte man mano che il parametro di impatto diventa sempre più piccolo.

"Questo fa sembrare che qualcosa stia modificando i muoni, " Disse Li. "Sembra che uno stia andando con un'angolazione diversa dall'altro, ma non lo è davvero. È un artefatto del modo in cui il movimento del fotone stava cambiando, perpendicolare alla direzione del raggio, prima della collisione che ha prodotto i muoni."

Yang ha detto che lo studio spiega la maggior parte delle anomalie che aveva precedentemente identificato. Nel frattempo, lo studio ha stabilito un nuovo strumento sperimentale per controllare il parametro di impatto delle interazioni dei fotoni che avranno impatti di vasta portata.

"Possiamo tranquillamente affermare che la maggioranza proveniva da questo effetto QED, " ha detto. "Ma ciò non esclude che ci siano ancora effetti che riguardano il plasma di quark e gluoni. Questo lavoro ci fornisce una linea di base molto precisa, ma abbiamo bisogno di dati più precisi. Abbiamo ancora almeno 15 anni per raccogliere i dati QGP su CMS, e la precisione dei dati aumenterà sempre di più."