Детектор ATLAS увидел рассеяние света на свете

Рождение двух фотонов умеренно большой энергии в детекторе ATLAS

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

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

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

Рис. 2. Фейнмановская диаграмма, описывающая процесс столкновения двух фотонов

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

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

И вот этот красивый процесс впервые увидели на Большом 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 результатами этого анализа. Статья направлена в журнал Nature Physics; популярный рассказ об этой работе появился в журнале CERN Courier.

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

Рис. 3. Два встречных ядра высокой энергии могут столкнуться не напрямую, а своими электромагнитными полями

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

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

Даже с 13 событиями можно провести 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 (здесь указаны статистическая и систематическая погрешности). Оно оказалось чуть выше предсказаний Стандартной модели для этого диапазона энергий и быстрот (40–60 nb), но вполне согласуется с ним в пределах погрешностей.

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

Источник: ATLAS Collaboration. Evidence for light-by-light scattering in heavy-ion collisions with the ATLAS detector at the LHC // препринт arXiv:1702.01625 [hep-ex].

Игорь Иванов


30
Показать комментарии (30)
Свернуть комментарии (30)

  • n0isy  | 16.02.2017 | 09:01 Ответить
    Эти "почти фотоны" отличаются от настоящих?
    Ответить
    • Fireman > n0isy | 16.02.2017 | 10:29 Ответить
      возможно это "почти невиртуальные"
      Ответить
    • Игорь Иванов > n0isy | 16.02.2017 | 12:49 Ответить
      Формально отличаются: они виртуальные. Но их виртуальность маленькая, много меньше типичной энергии, так что во всех жестких процессах столкновений они ведут себя практически так же, как обычные.
      Ответить
  • Fireman  | 16.02.2017 | 10:33 Ответить
    Игорь, а правильно ли я понимаю, что "чистота" довольно редкая, ведь не должно произойти ни одного столкновения в пучках при всем огромном количестве частиц в пучках?
    Ответить
    • PavelS > Fireman | 16.02.2017 | 11:08 Ответить
      Э... я не Игорь, но тут же речь про столкновения свинца. Ядра свинца излучают фотоны, которые в свою очередь взаимодействуют через петли. Там такая жуть происходит в плане нагромождения, что для меня просто удивительно почему эффект нашли не в протон-протонных столкновениях, а в свинцовых.

      Чтобы процесс был почище, надо строить фотонный коллайдер, т.е. коллайдер на встречных электронах, где энергия электронов переводится в гамма-лучи, а сами отработанные электроны отводятся в сторону.

      Тогда тут вопрос. Про мечты строительства современного фотонного коллайдера (как модуля планируемого электрон-позитронного) - слышали, а вот как насчет работающих прототипов? Есть ли хоть один?
      Ответить
      • Angl > PavelS | 16.02.2017 | 11:36 Ответить
        Написано же (и рисунок приведен) что ядра не сталкиваются в отобранных событиях, сталкиваются только материализованные электромагнитные поля вокруг этих ядер.
        Ответить
      • VICTOR > PavelS | 16.02.2017 | 12:04 Ответить
        Было в планах по Хигсовой фабрике:
        1. Коллайдер "mu+" + "mu-" либо электрон-позитронный на энергию суммарную как m(H + Z).
        2. Фотонный коллайдер на энергию γ + γ = H. Вот здесь кажется необходим именно электронный источник и в противоположном ему направлении (или как-то под углом?) - источник фотонов. Только не знаю, как начальное значение можно брать что-то вроде эксимерных лазеров или нужно синхротронный источник/"лазер на свободных электронах" - http://htech-world.ru/elektronika/lazer-na-svobodnyx-elektronax-tri-goda-do-starta.html, картинка №6.

        P.S. Я тут подумал, а как мы можем обеспечить столкновение 2 фотонов с противоположными спинами? По другому ведь не родится бозон Хиггса? Это просто взять "левую" и "правую" поляризации в источниках фотонов?
        Ответить
        • Angl > VICTOR | 16.02.2017 | 12:46 Ответить
          Эти планы составлялись не просто с целью увеличить количество событий рождения Хиггса, а с множеством целей, причем эти цели постоянно меняются в зависимости от текущих находок:
          - увеличить вероятность обнаружения Новой физики, если есть подозрения, что она проявится именно в таком сценарии рождения Хиггса
          - точнее рассчитать определенные свойства Хиггса, по поводу которых есть подозрения в отклонении
          - увеличить вероятность рождения чего-то другого, кроме Хиггса
          - и т.п.

          Наверняка можно построить фотонный коллайдер разными способами, возможно и таким как вы предлагаете. Только вот нужно ли его строить и в каком виде? Этот вопрос может дать только группа теоретиков, причем каждый (условно) год ответ разный.
          Ответить
        • Игорь Иванов > VICTOR | 16.02.2017 | 14:29 Ответить
          Столкновение поляризованных фотонов вполне можно организовать, там утверждается что 80-90% поляризацию можно получить. Причем поляризацией можно даже играться: можно делать не только циркулярную, но и линейную под разными углами. Для подходящей поляризации (одинаковой, не противоположной) сечение рождения Хиггса возрастет в два раза. Ну, это не такой уж драматический эффект.
          Ответить
          • VICTOR > Игорь Иванов | 16.02.2017 | 15:01 Ответить
            Я конечно перепутал и нам нужно 2 противоположных спина у фотонов. А так как фотоны могут столкнуться только в противоположных направлениях, значит нужно по 2 "левых" либо "правых".
            А при равных направлениях спина у нас например рождается вместе с позитронием (парой мюон-антимюон и т.д. - если энергия чуть больше) в орто-состоянии (значит 2 пары нужно) бозон со спином 0?
            Ответить
      • Fireman > PavelS | 16.02.2017 | 12:46 Ответить
        так вот как я понял эти ядра свинца и не столкнулись, пройдя рядом друг с другом, а учитывая что ядер много, то наверное такое событие - ни одного столкнувшегося ядра в детекторе и является огромной редкостью
        Ответить
      • Игорь Иванов > PavelS | 16.02.2017 | 14:24 Ответить
        ... что для меня просто удивительно почему эффект нашли не в протон-протонных столкновениях, а в свинцовых.

        Без шансов. Во-первых, для протонов эффект намного слабее, пропорционально заряду ядра в четвертой степени (если когерентное излучение от всего ядра). Во-вторых, у протонов столько столкновений, что сложно выделить фотоны из этого столкновения (направления прилета фотонов восстанавливаются намного хуже, чем заряженных частиц, т.к. трека нет, только ливень в калориметре).

        Насчет прототипов. В каком-то смысле да, есть. Это давно действующие установки по обратному комптон-рассеянию. Светят лазером на многогэвный пучок электронов, он отражает обратно несколько-гэвные фотоны. Затем эти фотоны сталкиваются с протонами и рождаются всякие адроны. См например установку LEPS на синхротроне SPring8 в Японии http://www.rcnp.osaka-u.ac.jp/Divisions/np1-b/index.php

        Фотонные коллайдеры — это по сути два таких луча. Но только в них будут куда большие мощности и энергии. Достижение высокой плотности энергии в лазерном луче — самая главная техническая сложность для фотонных коллайдеров. А так да, активно планируется как опция в ILC.
        Ответить
        • PavelS > Игорь Иванов | 16.02.2017 | 22:03 Ответить
          А, теперь понял, да. Видимо я считал ядра чем-то очень хрупким а-ля молекула He2, и считал само собой разумеющимся что любое взаимодействие их как минимум распылит в хлам.
          Ответить
          • VICTOR > PavelS | 16.02.2017 | 23:38 Ответить
            Фактически уже протон с энергией несколько ГэВ имеет энергию больше, чем полная энергия связи в висмуте. Но возможно, что все взаимодействие произойдет с нуклонами на внешней оболочке, которые просто улетят из ядра с кинетической энергией по несколько сотен МэВ.
            Ответить
            • PavelS > VICTOR | 16.02.2017 | 23:51 Ответить
              Хотел ответить, что зачем так сложно, что может провзаимодействовать ядро в целом ничего не теряя, и уткнулся в вопрос - что именно излучило те самые фотоны, что столкнулись? Если ядро в целом - то как будет выглядеть диаграмма Фейнмана? Вроде что-то именно такое в статье как раз и нарисовано. А такая диаграмма вообще корректна? И что, там не будет какого-то одного партона в ядре, который этот фотон излучил? А если ядро описать как большую кучу партонов, то можно ли как-то перерисовать диаграмму, чтобы она оставалась корректной? Пока что я это не понимаю.
              Ответить
              • Игорь Иванов > PavelS | 17.02.2017 | 03:36 Ответить
                Это правильные вопросы. Если ядро остается цельным, и более того, невозбужденным, то неважно, какой именно протон (и тем более, какой именно кварк) испустил этот фотон: все эти испускания от разных зарядов складываются когерентно. В самом начале, самый первый акт излучения фотона с разных протонов внутри ядра может выглядеть по-разному, но затем внутри ядра происходит обмен импульсом, перерассеяние. Все эти процессы перерассеяния не требуется рассчитывать: мы просто проецируем состояние «протон внутри ядра только-что испустил фотон» на конечное состояние «ядро целиком отлетело вбок с таким-то импульсом отдачи». Вероятность этой проекции записывается через формфактор ядра, а сам формфактор можно рассчитать теоретически и сравнить с другими экспериментальными данными.
                Ответить
          • Игорь Иванов > PavelS | 17.02.2017 | 03:41 Ответить
            В принципе, ядро хрупкое: в него достаточно всадить сотню МэВ, чтобы оно сильно возбудилось или развалилось на части. Но только это надо вставить внутри ядра, в виде относительного движения нуклонов. А фотон пусть даже Гэвных энергий излучается ядром целиком. Ну и поперечный импульс у этого фотона мал, он почти коллинеарен ядру.

            Ну и раз вы эту тему подняли, вот вам на закуску. При асимптически больших энергиях ядерных столкновений (многие ТэВы и выше) примерно половина ядерных столкновений будет... абсолютно упругими! Это совершенно невообразимая вещь, если представлять себе ядро «классически», как набор слабо скрепленных шариков. А возникает это упругое рассеяние за счет квантовой механики — это и есть адронная дифракция, про которую я уже раньше писал.
            Ответить
            • PavelS > Игорь Иванов | 17.02.2017 | 13:59 Ответить
              Да, что ядро не разваливается - это пожалуй поинтересней самого содержимого статьи. :) Тогда не удержусь, полюбопытствую - молекулы посталкивать - тут в плане науки и тонких эффектов ловить нечего? К примеру, однократно ионизированный H2.
              Ответить
              • VICTOR > PavelS | 19.02.2017 | 20:40 Ответить
                Я боюсь, что никакой возможности разогнать молекулу (в смысле ион) даже H2 не выйдет. Возможно, что даже HF разогнать лучше выйдет, а LiF - ещё лучше. Но все равно, что бы там не приложить для разгона, молекула на энергии в несколько ГэВ уже разорвется.
                Ответить
    • Игорь Иванов > Fireman | 16.02.2017 | 12:58 Ответить
      Как уже правильно сказали, это измерение проводили в столкновении пучков свинца, а там светимость на несколько порядков ниже, чем в протонных. Поэтому далеко не каждое пересечение сгустков порождает хоть какое-то одно событие. В отличие от протон-протонных столкновений, где их несколько десятков на каждое пересечение сгустков.
      Ответить
      • VICTOR > Игорь Иванов | 16.02.2017 | 15:11 Ответить
        Возник недавно у меня такой вопрос. Есть какая-то вероятность того, что у нас при столкновении родились 2 частицы с большим поперечным импульсом. При этом где-то "рядом" (в том числе в поперечном направлении) - ещё 2 частицы. И вот какая-то там миллионная процента вероятности того, что от столкновения 2 ядер/протонов и ещё 2 родились например по пи-мезону, которые полетели друг в друга и родили более тяжелые частицы (пару например K+ и Ds-) - может быть такое? Конечно требуется, что бы суммарная энергия 2 мезонов вышла свыше 2.5 ГэВ.
        Ответить
        • Игорь Иванов > VICTOR | 17.02.2017 | 03:42 Ответить
          Не, слишком маленькая вероятность, нереально дождаться.
          Ответить
          • Hom > Игорь Иванов | 20.02.2017 | 23:35 Ответить
            xx
            Ответить
      • PavelS > Игорь Иванов | 16.02.2017 | 22:08 Ответить
        Да-да, был не прав. Под гипнозом изображений, где нарисована мешанина частиц в треках от Alice, мне казалось что в столкновени ядер всегда такой "дурдом".
        Ответить
  • curtcobein  | 17.02.2017 | 13:02
    Комментарий скрыт
    • VICTOR > curtcobein | 17.02.2017 | 14:34 Ответить
      Давайте я Вам предложу гипотезу. Есть прилетающие из космоса фотоны высоких энергий (13 ТэВ и выше). Их вероятность рассеяться на встречном фотоне ничуть не ниже, чем у фотонов, возникающих внутри LHC. Придумайте гипотезу о том, как выявить при наблюдении за небом такие события и отличить их "следы" от обычного столкновения с протоном, ядром азота/кислорода/углерода или более редкого и тяжелого аргона.
      Ответить
      • PavelS > VICTOR | 18.02.2017 | 13:05 Ответить
        У космических фотонов весьма низкая вероятность столкнуться с другим встречным фотоном высокой энергии, т.к. космические лучи никто никогда не фокусировал и фокусировать-то их скорее невозможно, чем сложно, да и мне казалось что самые интересные эффекты будут лишь при лобовых столкновениях при углах очень близких к 180 градусам. Если и обсуждают события взаимодействия космических лучей с чем-то фоновым, то обсуждают торможение о реликтовый фон (!!!). Всё остальное - слишком редко.

        Ну а столкновения космических фотонов и тепловых фотонов земного происхождения уже не столь интересны, т.к. в системе центра масс двух этих фотонов событие чаще всего будет весьма рядовым по коллайдерным меркам. Т.е. столкновение фотона с энергией 13ТэВ и лёгкой частицы - это не то же самое что встречное столкновение на энергии в 6ТэВ. Тут значение имеет не сумма, а произведение энергий, в коллайдерных экспериментах чаще всего указывают корень из этого произведения.
        Ответить
        • VICTOR > PavelS | 18.02.2017 | 14:47 Ответить
          >Тут значение имеет не сумма, а произведение энергий...
          Ну так все же можно посчитать в системе центра масс. То есть например у нас родится пара Z+H, которая сохранит в этой системе отсчета нулевой суммарный импульс.

          >весьма рядовым по коллайдерным меркам
          Все же мне кажется, что правильная моя интерпретация, а фотоны с энергией 6 ТэВ в коллайдере - это редкая вещь. Может Вы найдете данные скажем о фиксированном событии столкновения позитрона энергией в сотни ГэВ с электроном и рождения пары фотонов. Как пример - "2-фотонный пик около 750 ГэВ" должен был из чего-то возникать.
          Ответить
          • PavelS > VICTOR | 19.02.2017 | 02:53 Ответить
            Пардон, я вас плохо понимаю. Если у нас есть тепловой фотон с энергией 0.01эВ и гамма-фотон с энергией 1ТэВ, то при лобовом столкновении в центре масс будет всего лишь пара фотонов по 100кЭв. У них вообще ничего интересного не получится. Даже электрон-позитронной пары не выйдет. А уж про такие экзоты как Z+H можно вообще забыть, вам понадобиться ну просто невероятно энергичный исходный фотон с энергией в тысячи петаэлектронвольт, чтобы рассеиваясь на тепловых фотонах давать что-то интересное. Такие в космических лучах встречаются, но их очень мало и очень редко. Ждать когда такой влетит в ваш детектор всю жизнь будете.

            Про пик тем более не понял. Он возникал из статистических накладок.
            Ответить
  • Arbnos  | 17.02.2017 | 16:40 Ответить
    Спасибо, очень интересная новость. Продолжается обработка прошлых лет.
    Ответить
  • haykh  | 08.03.2017 | 03:06 Ответить
    Игорь, а формирование пар по Брэйт-Уиллеру когда-либо получали? Хотя бы неявно по positron excess в плазменных/лазерных экспериментах? В чём принципиальная сложность?
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»