Forskare från ATLAS-samarbetet vid LHC har hittat bevis för spridning av ljus för ljus, där två fotoner interagerar och ändrar sin bana. Forskare från DESY, Johannes Gutenberg University Mainz och AGH University of Science and Technology i Krakow utförde studien.

"Enligt klassisk elektrodynamik, ljusstrålar passerar varandra utan att spridas. Men om vi tar hänsyn till kvantfysiken, ljus kan spridas av ljus, även om detta fenomen verkar mycket osannolikt", förklarar Mateusz Dyndal, en DESY-forskare som spelade en stor roll i dataanalysen. En av de äldsta förutsägelserna inom kvantelektrodynamiken säger att fotoner, bärarpartiklarna för den elektromagnetiska kraften, kan interagera och sprida sig från varandra. Denna process har testats i olika miljöer, men en direkt observation av ljus-för-ljus-spridning har inte tidigare uppnåtts.

Under 2012, fysiker föreslog att ljus-för-ljus-spridning kunde observeras vid kollisioner vid LHC. Protoner som accelereras till nästan ljusets hastighet producerar ett mycket starkt elektromagnetiskt fält. Det genererade fältet är ännu starkare när blyjoner används snarare än protoner. När två sådana joner passerar varandra i en så kallad ultraperifer kollision, två fotoner kan spridas från varandra medan jonerna själva förblir intakta. Forskarna observerar sedan två lågenergifotoner med specifika kinematiska egenskaper och ingen ytterligare aktivitet i detektorn. Baserat på data från 2015 vid LHC, fysiker vid ATLAS-experimentet gjorde en sökning efter ljus-för-ljus-spridning och hittade 4,4σ bevis för fenomenet. σ-värdet beskriver den statistiska signifikansen av ett vetenskapligt resultat. Fysiker brukar tala om en "upptäckt" om de hittar ett 5σ-resultat och kallar ett 3σ-resultat för "bevis" för något nytt. Ljus-för-ljusspridning har ett mycket litet tvärsnitt, vilket gör att det händer väldigt sällan. Så i fyra miljardanalyserade händelser, endast 13 kandidater för sådana difotonhändelser observerades.

Eftersom forskarna bara observerade ett fåtal händelser som tillskrevs ljus-för-ljus-spridning, den statistiska noggrannheten av deras resultat är begränsad. När nästa ledningskörning på LHC startar (slutet av 2018), de hoppas kunna samla in mer data för att testa detta fenomen mer exakt. Ytterligare studier kan också ge ett ytterligare fönster till ny fysik vid LHC. "Kanske kan vi hitta bevis för fysik utöver standardmodellen för partikelfysik, till exempel axionliknande partiklar som är en möjlig kandidat för mörk materia. Olika teoretiska begrepp förutspår att ljus-för-ljus-spridning kan vara känslig för sådana partiklar", säger Dyndal.