Ett nytt resultat från ATLAS Collaboration vid CERN studerar interaktionen mellan fotoner – ljuspartiklar – med blykärnor vid Large Hadron Collider (LHC). Med hjälp av nya datainsamlingstekniker, fysiker avslöjade en oväntad likhet med de experimentella signaturerna av kvark-gluonplasman.

När den är i drift, LHC ägnar ungefär en månad om året åt kolliderande blykärnor. Denna konfiguration ger fysiker en möjlighet att studera kvarg-gluonplasman (QGP), en intensivt varm och tät fas av materia som skapas när kärnorna kolliderar frontalt. Dessa extrema förhållanden efterliknar det tidiga universum under de första mikrosekunderna efter Big Bang. QGP är väl förstått av fysiker:det utvecklas som en nästan perfekt vätska, troget bevara den geometriska formen präglad vid dess bildande till en serie mönster i partiklarnas momentumfördelning i slutet av dess utveckling.

Men vad händer när två ankommande blykärnor knappt missar varandra? Blykärnan, helt avskalad från sina vanliga omgivande elektroner, håller en stor elektrisk laddning som kan inducera en mängd intressanta processer. Det intensiva elektromagnetiska fältet i varje kärna kan ses som likvärdigt med ett flöde av fotoner med stora energier. Dessa fotoner kan interagera med ankommande fotoner från den andra kärnan som leder till, till exempel, ljus-för-ljus-spridningsprocesser. Dessutom, en högenergifoton kan också träffa den andra kärnan direkt, leder till en exotisk "fotonukleär" kollision.

Under 2018 års lead-lead run av LHC, ATLAS-fysiker finslipade de unika egenskaperna hos fotonukleära händelser för att samla in ett stort prov för studier. Eftersom den deltagande ledande kärnan har ett momentum som är dussintals gånger större än fotonen, produkterna av dessa kollisioner "förstärks" (förskjuts) i riktning mot blykärnan. Händelsedisplayen ovan visar den asymmetriska fördelningen av partiklar som resulterar i denna situation. Denna egenskap, asymmetriska mönster gör det möjligt för forskare att effektivt sålla igenom miljarder vanliga symmetriska bly-bly-kollisioner och hitta de sällsynta fotonukleära händelserna.

I en nyligen publicerad publikation, ATLAS-fysiker blev förvånade över att se att några av de mest energiska fotonukleära kollisionerna visade bevis på att skapa samma heta och täta QGP som observerats vid frontala kollisioner med bly och bly! Specifikt, partiklarna uppvisade en azimutal momentumanisotropi (v2) i det tvärgående planet. Denna signatur tolkas traditionellt som bevis på QGP-bildning - eftersom den härrör från tryckgradienter som är större längs en axel av QGP än en annan. Figur 1 visar att v2-värdena i fotonukleära händelser är jämförbara med dem i proton-proton- och proton-bly-kollisioner. Dessa data ger ett lockande förslag att kvarg-gluonplasma kan bildas även i dessa exotiska, små kollisionssystem.

De flesta teoretiska modeller av dessa momentumanisotropier förlitar sig på att de kolliderande kropparna är gjorda av kvarkar och gluoner. Naivt, det är förvånande att hitta sådana effekter i ett system där en av de kolliderande partiklarna är en enkel, strukturlös foton! Dock, med tillräckligt stora energier, fotonens vågfunktion är en superposition av många tillstånd, inklusive några som är hadroner (partiklar som består av kvarkar och gluoner). Således, dessa mätningar ger ett kollisionssystem med en mycket annorlunda initial struktur än de som traditionellt används för att studera kvark-gluonplasman - och fungerar som ett test för både experimentalister och teoretiker.