Ljus-för-ljusspridning är ett mycket sällsynt fenomen där två fotoner interagerar, producerar ytterligare ett par fotoner. Denna process var bland de tidigaste förutsägelserna av kvantelektrodynamik (QED), elektromagnetismens kvantteorin, och är förbjudet av klassiska fysikteorier (som Maxwells teori om elektrodynamik).

Direkta bevis för ljus-för-ljus-spridning med hög energi hade visat sig svårfångade i årtionden, tills Large Hadron Collider (LHC) började sin andra datainsamlingsperiod (körning 2). Kollisioner av blyjoner i LHC ger en unik ren miljö för att studera ljus-för-ljus-spridning. Klasar av blyjoner som accelereras till mycket hög energi omges av ett enormt flöde av fotoner. Verkligen, den koherenta verkan från det stora antalet 82 protoner i en blyatom med alla elektroner avskalade (som är fallet för blyjonerna i LHC) ger upphov till ett elektromagnetiskt fält på upp till 10 ²⁵ Volt per meter. När två bly joner passerar nära varandra i mitten av ATLAS-detektorn, men på ett avstånd som är större än två gånger blyjonradien, dessa fotoner kan fortfarande interagera och sprida från varandra utan ytterligare interaktion mellan blyjonerna, eftersom räckvidden för den (mycket starkare) starka kraften är bunden till radien för en enskild proton. Dessa interaktioner är kända som ultraperifera kollisioner.

I ett resultat publicerat i Naturfysik under 2017, ATLAS-experimentet vid CERN fann tretton kandidathändelser för ljus-för-ljusspridning i bly-bly-kollisionsdata som registrerades 2015, för 2.6-händelser som förväntas från bakgrundsprocesser. Motsvarande betydelse för detta resultat var 4,4 standardavvikelser – vilket gör det till det första direkta beviset för högenergispridning ljus för ljus.

Den 17 mars 2019, vid Rencontres de Moriond konferens (La Thuile, Italien), ATLAS-experimentet rapporterade observation av ljus-för-ljus-spridning med en signifikans av 8,2 standardavvikelser. Resultatet använder data från den senaste tunga jonkörningen av LHC, som ägde rum i november 2018. Cirka 3,6 gånger fler evenemang (1,73 nb ⁻¹ ) samlades in jämfört med 2015. Den ökade datamängden, i kombination med förbättrad analysteknik, tillät mätning av spridningen av ljus för ljus med kraftigt förbättrad precision. Totalt 59 kandidatevenemang observerades, för 12 händelser som förväntas från bakgrundsprocesser. Från dessa siffror, tvärsnittet av denna process, begränsad till den kinematiska regionen som beaktas i analysen, beräknades till 78 ± 15 nb.

Nyfiket, signaturen för denna process – två fotoner i en annars tom detektor – är nästan motsatsen till de oerhört rika och komplexa händelser som vanligtvis observeras i högenergikollisioner av två blykärnor. Att observera det krävde utveckling av förbättrade triggeralgoritmer för snabbt urval av onlineevenemang, såväl som en specifikt justerad fotonidentifieringsalgoritm som använder ett neuralt nätverk, eftersom de studerade fotonerna har ungefär tio gånger mindre energi än de lägsta energirika fotonerna som vanligtvis mäts med ATLAS-detektorn. Att kunna spela in dessa händelser visar kraften och flexibiliteten hos ATLAS-detektorn och dess händelserekonstruktion, som designades för mycket olika händelsetopologier.

Denna nya mätning öppnar dörren för ytterligare studier av ljus-för-ljus-spridningsprocessen, vilket inte bara är intressant i sig som en manifestation av ett extremt sällsynt QED-fenomen, men kan vara känsliga för bidrag från partiklar utöver standardmodellen. Det möjliggör en ny generation av sökningar efter hypotetiskt ljus och neutrala partiklar.