Under den internationella konferensen om högenergifysik (ICHEP 2020), ATLAS -samarbetet presenterade den första observationen av fotonkollisioner som producerar par W -bosoner, elementära partiklar som bär den svaga kraften, en av de fyra grundkrafterna. Resultatet visar ett nytt sätt att använda LHC, nämligen som en högenergifotonkollider som direkt undersöker elektriskt svaga interaktioner. Det bekräftar en av de huvudsakliga förutsägelserna för elektriskt svag teori - att kraftbärare kan interagera med sig själva - och ger nya sätt att undersöka det.

Enligt lagarna i klassisk elektrodynamik, två skärande ljusstrålar skulle inte avböja, absorbera eller störa varandra. Dock, effekter av kvantelektrodynamik (QED), teorin som förklarar hur ljus och materia interagerar, tillåta interaktioner mellan fotoner.

Verkligen, det är inte första gången som fotoner som interagerar vid höga energier har studerats vid LHC. Till exempel, ljus-för-ljus "spridning", där ett par fotoner interagerar genom att producera ett annat fotonpar, är en av de äldsta förutsägelserna för QED. Det första direkta beviset på ljus-för-ljus-spridning rapporterades av ATLAS 2017, utnyttja de starka elektromagnetiska fälten som omger blyjoner i hög-energi bly-bly-kollisioner. Under 2019 och 2020, ATLAS studerade vidare denna process genom att mäta dess egenskaper.

Det nya resultatet som rapporterades vid denna konferens är känsligt för ett annat sällsynt fenomen där två fotoner interagerar för att producera två W bosoner med motsatt elektrisk laddning via (bland annat) växelverkan mellan fyra kraftbärare. Kvasi-verkliga fotoner från protonstrålarna sprids av varandra för att producera ett par W-bosoner. En första studie av detta fenomen rapporterades tidigare av ATLAS och CMS 2016, från data som spelats in under LHC -körning 1, men en större datamängd krävdes för att entydigt observera den.

Observationen erhölls med ett mycket signifikant statistiskt bevis på 8,4 standardavvikelser, motsvarande en försumbar chans att bero på en statistisk fluktuation. ATLAS -fysiker använde en betydligt större dataset som togs under körning 2, den fyraåriga datainsamlingen i LHC som slutade 2018, och utvecklat en skräddarsydd analysmetod.

På grund av interaktionsprocessens natur, de enda partikelspåren som syns i den centrala detektorn är sönderfallsprodukterna från de två W bosonerna, en elektron och en muon med motsatt elektrisk laddning. W-bosonpar kan också produceras direkt från interaktioner mellan kvarker och gluoner i de kolliderande protonerna betydligt oftare än från foton-foton-interaktioner, men dessa åtföljs av ytterligare spår från starka interaktionsprocesser. Det betyder att ATLAS -fysikerna var noga med att ta loss kollisionsspår för att observera detta sällsynta fenomen.

"Denna observation öppnar en ny aspekt av experimentell utforskning vid LHC med hjälp av fotoner i utgångsläget", sa Karl Jakobs, talesperson för ATLAS -samarbetet. "Det är unikt eftersom det bara involverar kopplingar mellan elektriskt svaga kraftbärare i den starka interaktionsdominerade miljön i LHC. Med större framtida datamängder kan den användas för att på ett rent sätt undersöka den elektriskt svaga mätarens struktur och möjliga bidrag från ny fysik. "

Verkligen, det nya resultatet bekräftar en av de viktigaste förutsägelserna för elektriskt svag teori, nämligen att förutom att interagera med vanliga materialpartiklar, kraftbärarna, även känd som gauge bosoner - W bosonerna, Z -bosonen och fotonen - interagerar också med varandra. Fotonkollisioner kommer att ge ett nytt sätt att testa standardmodellen och att söka efter ny fysik, vilket är nödvändigt för en bättre förståelse av universum.