Skapandet av materia i en växelverkan av två fotoner tillhör en klass av mycket sällsynta fenomen. Från data från ATLAS-experimentet vid LHC, samlas in med de nya AFP-protondetektorerna vid de högsta tillgängliga energierna hittills, en mer exakt – och mer intressant – bild av de fenomen som inträffar under fotonkollisioner håller på att dyka upp.

Om du riktar en glödande ficklampa mot en annan, du förväntar dig inga spektakulära fenomen. Fotonerna som sänds ut av båda ficklamporna passerar helt enkelt förbi varandra. Dock, vid vissa kollisioner med högenergiprotoner är situationen annorlunda. Fotonerna som emitteras av två kolliderande partiklar kan interagera och skapa ett par materia- och antimateriapartiklar. Spår av processer som dessa har just observerats i ATLAS-experimentet vid Large Hadron Collider (LHC) vid CERN nära Genève. Exakta observationer utfördes med den nya AFP (ATLAS Forward Proton) spektrometern, utvecklat med betydande deltagande av forskare från Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow. De polska fysikerna, finansierat av National Science Center och ministeriet för vetenskap och högre utbildning, har varit inblandade i utvecklingen av AFP-detektorer sedan dessa enheter skapades.

"Iakttagelser av skapandet av partiklar av materia och antimateria från elektromagnetisk strålning går tillbaka till början av kärnfysiken, " säger prof. Janusz Chwastowski, chef för teamet av fysiker vid IFJ PAN involverat i AFP-detektorerna.

Verkligen, det var februari 1933 när Patrick Blackett (Nobel 1948) och Giuseppe Occhialini rapporterade en observation av skapandet av ett elektron-positronpar initierat av ett kvantum av kosmisk strålning. Skapandet av materia och antimateria märktes därför tidigare än den omvända processen, d.v.s. den berömda och spektakulära positronförintelsen. De första observationerna av den senare gjordes i augusti 1933 av Theodor Heiting, och tre månader senare av Frédéric Joliot.

"I de vanligast registrerade skapelsehändelserna, en foton omvandlas till en partikel och en antipartikel. I kontrast, fenomenet vi studerar är av en annan karaktär. Partikel-antipartikelparet uppstår här på grund av växelverkan mellan två fotoner. Möjligheten av sådana processer rapporterades först av Gregory Breit och John A. Wheeler 1934, " fortsätter professor Chwastowski.

Som en laddad partikel, protonen som rör sig inuti LHC-stråleröret är omgiven av ett elektriskt fält. Eftersom bärarna av elektromagnetiska interaktioner är fotoner, protonen kan behandlas som ett objekt omgivet av fotoner.

"I LHC-stråleröret, protoner når hastigheter mycket nära ljusets hastighet. En proton och det omgivande fältet genomgår Lorentz-kontraktionen längs rörelseriktningen. Således, ur vår synvinkel, en proton som rör sig med nästan ljusets hastighet är förknippad med särskilt våldsamma svängningar i det elektromagnetiska fältet. När en sådan proton närmar sig en annan accelererad i motsatta riktningar - och det är den här situationen vi har att göra med vid LHC - kan en interaktion mellan fotonerna inträffa, " förklarar Dr. Rafal Staszewski (IFJ PAN).

På LHC, kollisioner av högenergiska protonstrålar förekommer på flera ställen, inklusive den som finns inuti den gigantiska ATLAS-detektorn. Om två fotoner kolliderar, resultatet kan bli ett elektron-positronpar eller ett myon-antimuonpar (en myon är ungefär 200 gånger mer massiv än en elektron). Dessa partiklar, som tillhör leptonfamiljen, produceras i stora vinklar med avseende på protonstrålarna, registreras inuti ATLAS-huvuddetektorn. Sådana fenomen har observerats vid LHC tidigare.

"Poängen är, vi har ytterligare två protagonister av två-fotonprocesser! Dessa är, naturligtvis, fotonkällorna, dvs de två passerande protonerna. Så kommer vi till kärnan i vår mätning, " säger Dr Staszewski och förklarar:"Som ett resultat av fotonemissionen, varje proton förlorar lite energi men, viktigt, den ändrar praktiskt taget inte riktningen på dess rörelse. Så, den försvinner från detektorn tillsammans med andra protoner i strålen. Dock, protonen som emitterade fotonen har en något lägre energi än strålprotonerna. Därför, acceleratorns magnetfält avleder det mer, och detta betyder att den gradvis rör sig bort från strålen. Det här är protonerna vi letar efter med våra AFP-spektrometrar."

Var och en av de fyra AFP-spårningsenheterna innehåller fyra sensorer:16x20 mm halvledarpixelplattor, placerade den ena bakom den andra. En proton som passerar genom sensorerna avsätter en del energi och på så sätt aktiverar den pixlarna på sin väg. Genom att analysera alla aktiverade pixlar, protonbanan och egenskaperna kan rekonstrueras.

Behovet av att registrera protoner som endast avböjs något från huvudstrålen innebär att AFP-spektrometrarna måste sättas in direkt inuti LHC-stråleröret, bara några millimeter bort från de cirkulerande strålarna.

"När du arbetar så nära en partikelstråle med så höga energier, man måste vara medveten om riskerna. Det minsta felet i placeringen av spektrometern kan resultera i att ett hål bränns i den. Det skulle vara väldigt upprörande, men det skulle verkligen vara det minsta av våra problem. Det resulterande skräpet skulle förorena åtminstone en del av gaspedalen och orsaka att den stängs av under en tid, " noterar professor Chwastowski.

Mätningarna som beskrivs här utfördes med AFP-spektrometrar placerade på ett avstånd av cirka 200 m från den punkt där protonerna kolliderade.

"Protoner interagerar vid LHC på många sätt. Som ett resultat, de protoner som observeras i AFP-spektrometrarna kan härröra från andra processer än de som är associerade med foton-fotoninteraktioner. För att söka efter rätt protoner, vi behövde ha exakt kunskap om egenskaperna hos varje partikel, " betonar doktoranden Krzysztof Ciesla (IFJ PAN), som tog itu med den initiala analysen av rådata som samlades in av AFP-spektrometrarna 2017 och omvandlade dem till information om de registrerade protonernas energier och moment. Resultaten av protonenergimätningarna ställdes sedan intill energierna från det skapade leptonparet och, baserad på bevarandeprinciper, det bestämdes om den observerade protonen kunde vara källan till den interagerande fotonen.

Mätningarna med AFP-spektrometrarna visade sig vara mycket statistiskt signifikanta, vid nio standardavvikelser (sigma). För jämförelse, en mätning på fem sigma är vanligtvis tillräckligt för att tillkännage en vetenskaplig upptäckt. Så, AFP-spektrometrarna har klarat testet, bevisade användbarheten av metoden och gav mycket intressant, även om det fortfarande är oklart, resultat. Det visade sig att teoretiska förutsägelser inte helt överensstämmer med de bestämda egenskaperna hos de undersökta interaktionerna. Det är uppenbart att det finns dolda nyanser i tvåfotonprocesserna som observeras i högenergiproton-protonkollisioner som kräver bättre förståelse och ytterligare mätningar.