Свет отталкивается от света? На БАК обнаружили столкновения между фотонами

Рассеяние света на свете давно изучено теоретиками, но впервые надёжно обнаружено в эксперименте.

Иллюстрация CERN.

Коллаборация детектора ATLAS Большого адронного коллайдера подтвердила существование редчайшего явления: рассеяния света на свете. Речь идёт о явлении, в ходе которого два фотона сталкиваются и взаимодействуют, порождая два других фотона. Это явление не только интересно само по себе, но и может служить ключом к открытию новых частиц.

Отметим, что первые экспериментальные свидетельства рассеяния света на свете были получены в 2015 году. Отчёт об этих наблюдениях появился в 2017 году. Тогда было обнаружено 13 событий. Достоверность этого результата составила 4,4 сигмы. Поясним, что означают эти цифры.

В принципе каждый экспериментальный результат может оказаться ложной тревогой, неудачно сложившейся комбинацией шумов, появившихся при работе очень сложной аппаратуры. Вероятность такого неприятного стечения обстоятельств физики оценивают в сигмах. Чем больше сигм, тем меньше вероятность того, что исследователи допустили ошибку при интерпретации результатов.

Золотым стандартом надёжности результата в ядерной физике являются пять сигм. При такой достоверности можно говорить об открытии. Как видим, измерения 2015 года до него несколько "не дотягивали".

Зато в новом эксперименте, состоявшемся в ноябре 2018 года, было обнаружено уже 59 событий. Достоверность результата составила 8,2 сигмы, то есть далеко превзошла порог открытия. Таким образом, новые данные являются первым надёжным свидетельством рассеяния света на свете.

В чём же состоял эксперимент? Ускоритель разгоняет ионы свинца и отправляет пучки этих частиц навстречу друг другу. В атоме этого металла 82 протона. Их взаимодействие с оторванными электронами порождает огромное количество фотонов. Когда встречные ионы свинца сближаются на расстояние двух собственных радиусов, эти фотоны могут столкнуться и породить новую пару фотонов.

Поясним, что реакции между ядрами свинца при этом не происходит, так как для этого им нужно сблизиться на расстояние порядка радиуса протона. С учётом огромной силы отталкивания, возникающей между такими ядрами с их большим положительным зарядом, это гораздо менее вероятное событие, чем даже рассеяние света на свете.

Интересно, что детектор ATLAS изначально предназначался именно для изучения столкновений ядер. При этом излучаются в десять и более раз более энергичные фотоны, чем при рассеянии света на свете. Соответственно, чтобы провести новый эксперимент, исследователям пришлось изменить алгоритмы обработки данных и прибегнуть к помощи искусственного интеллекта.

Дальнейшее изучение столкновений фотонов может помочь в открытии новых частиц. Дело в том, что фотоны, родившиеся в ядерных реакциях, тоже должны иногда сталкиваться между собой (хотя напрямую этот эффект пока не наблюдался). Между тем энергия "участников ДТП", а значит, и энергия появившихся в его результате новых фотонов, напрямую зависит от того, какие частицы образовались в реакции.

Детали исследования для специалистов изложены в докладе CERN.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о том, как на БАК обнаружился возможный предвестник Новой физики.