Детектор ATLAS увидел рассеяние света на свете

Детектор ATLAS увидел рассеяние света на свете

Рис. 1. Рождение двух фотонов умеренно большенный энергии в детекторе ATLAS без сопровождения других частиц. Рисунок с сайта cerncourier.com

Коллаборация ATLAS, трудящаяся на Большом адронном коллайдере, сообщила о надежной регистрации знаменитого, но тяжелого для измерения процесса квантовой электродинамики — рассеяния света на свете. Это удалось сделать после обработки этих по столкновению тяжелых ядер большой энергии в 2015 году. Измеренные характеристики процесса в пределах погрешностей сходятся с предсказаниями Стандартной модели.

Процесс упругого столкновения двух фотонов γγ → γγ, или «рассеяние света на свете», — это одинешенек из знаменитых примеров того, как квантовые эффекты меняют законы классической электродинамики. В рамках обыкновенной оптики два луча света, проходящие друг сквозь товарища в вакууме, никак не взаимодействуют, не влияют друг на друга. В квантовой теории поля такое воздействие становится возможным: один из фотонов на короткое время превращается в виртуальную чету заряженных частиц, и на ней рассеивается встречный фотон (рис. 2).

Детектор ATLAS увидел рассеяние света на свете

Рис. 2. Фейнмановская диаграмма, описывающая процесс схватки двух фотонов. Рисунок с сайта es.wikipedia.org

Для обычных оптических фотонов сечение этого рассеяния так мало, что нет никакого шанса зарегистрировать его в лаборатории. Однако с повышением энергии фотонов сечение остро растет, и его можно заметить на космических масштабах (см.  на эту тему задачу Схватка фотонов). В лабораторных экспериментах с элементарными частицами «рассеяние света на свете» для вящих энергий фотонов тоже иногда встречается. Самые популярные варианты этого процесса, уже зарегистрированные в эксперименте, — это рождение двух фотонов сквозь промежуточные мезоны в электрон-позитронных столкновениях, а также рассеяние либо расщепление фотона на два в поле тяжкого ядра.

И вот этот красивый процесс впервые увидели на Большенном адронном коллайдере: коллаборация ATLAS опубликовала на днях статью Evidence for light-by-light scattering in heavy-ion collisions with the ATLAS detector at the LHC (arXiv:1702.01625) с итогами этого анализа. Статья направлена в журнал Nature Physics; популярный рассказ об этой труду появился в журнале CERN Courier.

Анализ базируется на этих, набранных в 2015 году во время специального сеанса ядерных схваток. Польза от тяжелых ядер в том, что из-за большого электрического заряда кругом них создается сильное электрическое поле. Два встречных ядра могут «промазать», пробежать мимо друг друга без столкновений, но их электрические поля — столкнутся. Весьма важно, что сами ядра при этом летят с околосветовой скоростью. То, что выглядит как обыкновенное электростатическое поле для покоящегося ядра, превращается для быстрого основы в поле электромагнитное, то есть в поток почти реальных фотонов большенный плотности, которые летят рядом с ядром. Может показаться изумительным, что одна и та же система (в нашем случае — ядро и его поле) выглядят совсем по-разному в разных системах отсчета, но таковы свойства квантового микромира; подетальнее об этом на примере сильного взаимодействия читайте в статье Многоликий протон. В итоге эти почти реальные фотоны от двух противных ядер сталкиваются и разлетаются в стороны, — именно их и фиксирует детектор (рис. 3). Подробнее про двухфотонные процессы можно разузнать из серии видеолекций В. Г. Сербо из НГУ.

Детектор ATLAS увидел рассеяние света на свете

Рис. 3. Два встречных ядра рослой энергии могут столкнуться не напрямую, а своими электромагнитными полями, и в этом электромагнитном схватке может родиться система частиц X. Рассеяние света на свете — это процесс, когда X — это два фотона большенный энергии. Изображение из обсуждаемой статьи

Характерная особенность такого процесса — его необыкновенная чистота, отсутствие в детекторе посторонних частиц. На рис. 1 показано одно такое событие-кандидат в рассеяние света на свете. Вместо тысяч крупиц, которые обычно видит детектор в жестких ядерных схватках, здесь всё пусто, есть только два фотона с противоположными поперечными импульсами. Благодаря этому, отбор событий производится весьма эффективно: среди миллиардов событий, зарегистрированных детектором ATLAS, лишь 13 прошли все стадии отбора. Конечно, во всех розысках может существовать фон из посторонних процессов, но для этого анализа он совершенно низкий: по результатам моделирования ожидалось всего 2,6±0,7 фоновых событий. Таким манером, ATLAS видит существенное превышение данных над фоном и сообщает о верных указаниях на рассеяние света на свете в области энергий несколько ГэВ (статистическая значимость эффекта — 4,4σ).

Даже с 13 событиями можно прочертить некоторый статистический анализ. Коллаборация ATLAS изучила распределение событий по углам вылета, поперечному импульсу и его дисбалансу, по инвариантной массе, а также измерила сечение процесса: 70±24±17 nb (тут указаны статистическая и систематическая погрешности). Оно оказалось чуть рослее предсказаний Стандартной модели для этого диапазона энергий и стремительностей (40–60 nb), но вполне согласуется с ним в пределах погрешностей.

Нельзя произнести, что от этого процесса ожидали каких-то сюрпризов. Интерес тут, скорее, «статусный» — зарегистрировать в незапятнанном виде, без «помощи» промежуточных мезонов-резонансов, классический, но трудноуловимый эффект, какой постоянно упоминается во вводных курсах квантовой физики.

Ключ: elementy.ru