The Large Hadron Collider leker med Albert Einsteins berömda ekvation, E =mc ² , att omvandla materia till energi och sedan tillbaka till olika former av materia. Men i sällsynta fall, den kan hoppa över det första steget och kollidera med ren energi — i form av elektromagnetiska vågor.

Förra året, ATLAS-experimentet vid LHC observerade två fotoner, ljuspartiklar, rikoschetterar av varandra och producerar två nya fotoner. Det här året, de har tagit den forskningen ett steg längre och upptäckt fotoner som smälter samman och förvandlas till något ännu mer intressant:W bosoner, partiklar som bär den svaga kraften, som styr kärnkraftsförfall.

Denna forskning illustrerar inte bara det centrala konceptet som styr processer inuti LHC:att energi och materia är två sidor av samma mynt. Det bekräftar också att vid tillräckligt höga energier, krafter som verkar åtskilda i vår vardag – elektromagnetism och den svaga kraften – förenas.

Från masslös till massiv

Om du försöker replikera detta fotonkolliderande experiment hemma genom att korsa strålarna från två laserpekare, du kommer inte att kunna skapa nya, massiva partiklar. Istället, du kommer att se de två strålarna kombineras för att bilda en ännu starkare ljusstråle.

"Om du går tillbaka och tittar på Maxwells ekvationer för klassisk elektromagnetism, du kommer att se att två kolliderande vågor summerar till en större våg, "säger Simone Pagan Griso, en forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory. "Vi ser bara dessa två fenomen som nyligen observerats av ATLAS när vi satte ihop Maxwells ekvationer med speciell relativitet och kvantmekanik i den så kallade teorin om kvantelektrodynamik."

Inuti CERNs acceleratorkomplex, protoner accelereras nära ljusets hastighet. Deras normalt rundade former pressar sig längs rörelseriktningen eftersom speciell relativitet ersätter de klassiska rörelselagarna för processer som äger rum vid LHC. De två inkommande protonerna ser varandra som komprimerade pannkakor åtföljda av ett lika sammanpressat elektromagnetiskt fält (protoner laddas, och alla laddade partiklar har ett elektromagnetiskt fält). Energin i LHC kombinerat med längdkontraktionen ökar styrkan i protonernas elektromagnetiska fält med en faktor 7500.

När två protoner betar varandra, deras sammanpressade elektromagnetiska fält skär varandra. Dessa fält hoppar över den klassiska "förstärka"-etiketten som gäller vid låga energier och följer istället reglerna som skisserats av kvantelektrodynamiken. Genom dessa nya lagar, de två fälten kan slås samman och bli "E" i E=mc².

"Om du läser ekvationen E=mc² från höger till vänster, du kommer att se att en liten mängd massa producerar en enorm mängd energi på grund av c²-konstanten, vilket är ljusets hastighet i kvadrat, säger Alessandro Tricoli, en forskare vid Brookhaven National Laboratory - USA:s högkvarter för ATLAS -experimentet, som får finansiering från DOE:s Office of Science. "Men om du tittar på formeln tvärtom, du kommer att se att du måste börja med en enorm mängd energi för att producera ens en liten mängd massa."

LHC är en av få platser på jorden som kan producera och kollidera med energiska fotoner, och det är det enda stället där forskare har sett två energiska fotoner smälta samman och förvandlas till massiva W-bosoner.

En förening av krafter

Genereringen av W-bosoner från högenergifotoner exemplifierar upptäckten som vann Sheldon Glashow, Abdus Salam och Steven Weinberg 1979 Nobelpriset i fysik:Vid höga energier, elektromagnetism och den svaga kraften är samma sak.

Elektricitet och magnetism känns ofta som separata krafter. Man oroar sig normalt inte för att bli chockad när man hanterar en kylskåpsmagnet. Och glödlampor, även när det lyser med elektricitet, håll dig inte vid kylskåpsdörren. Så varför har elstationer skyltar som varnar för deras höga magnetfält?

"En magnet är en manifestation av elektromagnetism, och elektricitet är en annan, " säger Tricoli. "Men det är alla elektromagnetiska vågor, och vi ser denna förening i vår vardagliga teknologi, till exempel mobiltelefoner som kommunicerar genom elektromagnetiska vågor. "

Vid extremt höga energier, elektromagnetism kombineras med ännu en grundläggande kraft:den svaga kraften. Den svaga kraften styr kärnreaktioner, inklusive fusionen av väte till helium som driver solen och sönderfallet av radioaktiva atomer.

Precis som fotoner bär den elektromagnetiska kraften, W- och Z-bosonerna bär den svaga kraften. Anledningen till att fotoner kan kollidera och producera W-bosoner i LHC är att vid de högsta energierna, dessa krafter kombineras för att göra den elektrosvaga kraften.

"Både fotoner och W-bosoner är kraftbärare, och de bär båda den elektrosvaga kraften, "Griso säger." Detta fenomen händer verkligen eftersom naturen är kvantmekanisk. "