Ljus-för-ljusspridning är ett sällsynt fenomen där två fotoner - ljuspartiklar - interagerar, producerar ytterligare ett par fotoner. Direkt observation av denna process vid hög energi hade visat sig svårfångad i årtionden, tills det först sågs av ATLAS-experimentet 2016 och etablerades 2019. I en ny mätning, ATLAS-fysiker använder ljus-för-ljus-spridning för att söka efter ett hajpat fenomen bortom standardmodellen för partikelfysik:axionliknande partiklar.

Kollisioner av tunga blyjoner i Large Hadron Collider (LHC) ger den idealiska miljön för att studera ljus-för-ljus-spridning. När klasar av blyjoner accelereras, ett enormt flöde av omgivande fotoner genereras motsvarande ett elektriskt fält med styrka på upp till 10 ²⁵ volt per meter. När joner från motsatta strålar passerar bredvid varandra i mitten av ATLAS-detektorn, deras omgivande fotoner kan interagera och sprida varandra. Eftersom blyjonerna bara förlorar en liten bråkdel av sin energi i denna process, de utgående jonerna fortsätter sin väg runt LHC-ringen, osedda av ATLAS-detektorn. Dessa interaktioner är kända som ultraperifera kollisioner. Detta leder till en distinkt händelsesignatur, mycket olik typiska blyjonkollisioner, med två rygg mot rygg fotoner och ingen ytterligare aktivitet i detektorn.

Baserat på bly-bly-kollisionsdata registrerade 2015, ATLAS Collaboration hittade det första direkta beviset på högenergi-ljus-för-ljus-spridning. Mer nyligen rapporterade ATLAS Collaboration observation av ljus-för-ljus-spridning med en signifikans av 8,2 standardavvikelser, med ett stort dataurval från 2018.

ATLAS Collaboration har studerat hela LHC Run-2-datauppsättningen av kollisioner med tunga joner för att mäta ljus-för-ljusspridning med förbättrad precision och fler detaljer. Av de mer än hundra miljarder ultraperifera kollisioner som undersöktes, ATLAS observerade totalt 97 kandidathändelser medan 27 händelser förväntas från bakgrundsprocesser. Förutom produktionshastigheten (tvärsnitt), ATLAS mätte energierna och vinkelfördelningarna för de producerade fotonerna (dvs deras kinematik). Resultatet utforskar ett bredare spektrum av difotonmassor, öka det förväntade signalutbytet med cirka 50 % i jämförelse med de tidigare ATLAS-mätningarna.

Mätningen av ljus-för-ljusspridning är känslig för processer bortom standardmodellen, såsom axionliknande partiklar. Dessa är hypotetiska spinnlösa (skalära) partiklar med ett udda paritetskvantumtal (Higgs-bosonen, till exempel, är en skalär med jämn paritet) och vanligtvis svag interaktion med standardmodellpartiklar. I det nya ATLAS-resultatet, fysiker övervägde om paren av interagerande fotoner producerar axionliknande partiklar (a) när de sprids från varandra (γγ → a → γγ), vilket skulle leda till ett överskott av spridningshändelser med difotonmassa lika med massan av a. De undersökte difotonmassfördelningen för ett massintervall mellan 6 och 100 GeV. Inget signifikant överskott av händelser utöver den förväntade bakgrunden hittades i analysen. ATLAS-fysiker kunde härleda, på en 95% konfidensnivå, en uteslutningsbunden av de axionliknande partiklarna som kopplar till fotoner (Figur 2). Om vi ​​antar att 100 % av de förmodade partiklarna sönderfaller till fotoner, denna nya analys sätter de starkaste befintliga gränserna för produktionen av axionliknande partiklar i det undersökta massintervallet hittills.

Med den mycket större datamängden som förväntas i framtida LHC-körningar, fysiker kommer att fortsätta att utforska känsligheten hos ljus-för-ljus-spridning för fenomen bortom standardmodellen.