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).
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.
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.
