Детектор ATLAS увидел рассеяние света на свете

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. 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, 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