Het i hälarna för att bevisa en 87-årig förutsägelse att materia kan genereras direkt från ljus, Rice University fysiker och deras kollegor har detaljerat hur den processen kan påverka framtida studier av ursprunglig plasma och fysik bortom standardmodellen.

"Vi tittar i huvudsak på kollisioner av ljus, sa Wei Li, en docent i fysik och astronomi vid Rice och medförfattare till studien publicerad i Fysiska granskningsbrev .

"Vi vet från Einstein att energi kan omvandlas till massa, sa Li, en partikelfysiker som samarbetar med hundratals kollegor i experiment med högenergipartikelacceleratorer som European Organization for Nuclear Research's Large Hadron Collider (LHC) och Brookhaven National Laboratory's Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC).

Acceleratorer som RHIC och LHC omvandlar rutinmässigt energi till materia genom att accelerera bitar av atomer nära ljusets hastighet och krossa dem i varandra. Upptäckten 2012 av Higgspartikeln vid LHC är ett anmärkningsvärt exempel. Just då, Higgs var den sista oobserverade partikeln i standardmodellen, en teori som beskriver atomernas grundläggande krafter och byggstenar.

Imponerande som det är, fysiker vet att standardmodellen bara förklarar cirka 4% av materia och energi i universum. Li sa veckans studie, som leddes av Rice postdoktor Shuai Yang, har implikationer för sökandet efter fysik bortom Standardmodellen.

"Det finns tidningar som förutspår att du kan skapa nya partiklar från dessa jonkollisioner, att vi har en så hög densitet av fotoner i dessa kollisioner att dessa foton-foton-interaktioner kan skapa ny fysik bortom i standardmodellen, " sa Li.

Yang sa, "För att leta efter ny fysik, man måste förstå standardmodellprocesser mycket exakt. Effekten som vi har sett här har inte övervägts tidigare när folk har föreslagit att man använder foton-fotoninteraktioner för att leta efter ny fysik. Och det är oerhört viktigt att ta hänsyn till det."

Effekten Yang och kollegor i detalj uppstår när fysiker accelererar motsatta strålar av tunga joner i motsatta riktningar och riktar strålarna mot varandra. Jonerna är kärnor av massiva element som guld eller bly, och jonacceleratorer är särskilt användbara för att studera den starka kraften, som binder grundläggande byggstenar som kallas kvarkar i atomkärnornas neutroner och protoner. Fysiker har använt tunga jonkollisioner för att övervinna dessa interaktioner och observera både kvarkar och gluoner, partiklarna kvarkar utbyter när de interagerar via den starka kraften.

Men kärnor är inte det enda som kolliderar i tunga jonacceleratorer. Jonstrålar producerar också elektriska och magnetiska fält som höljer varje kärna i strålen med sitt eget ljusmoln. Dessa moln rör sig med kärnorna, och när moln från motsatta strålar möts, enskilda ljuspartiklar som kallas fotoner kan mötas frontalt.

I en PRL studie publicerad i juli, Yang och kollegor använde data från RHIC för att visa att foton-fotonkollisioner producerar materia från ren energi. I experimenten, de lätta smashups inträffade tillsammans med kärnkollisioner som skapade en ursoppa som kallas kvarg-gluonplasma, eller QGP.

"På RHIC, du kan låta foton-fotonkollisionen skapa sin massa samtidigt som kvarg-gluonplasma bildas, " sa Yang. "Så, du skapar denna nya massa inuti kvarg-gluonplasman."

Yangs Ph.D. avhandlingsarbete om RHIC-data publicerade i PRL 2018 föreslog fotonkollisioner kan påverka plasman på ett lätt men mätbart sätt. Li sa att detta var både spännande och överraskande, eftersom fotonkollisioner är ett elektromagnetiskt fenomen, och kvarg-gluonplasma domineras av den starka kraften, som är mycket kraftfullare än den elektromagnetiska kraften.

"Att interagera starkt med kvarg-gluonplasma, att bara ha elektrisk laddning är inte tillräckligt, " sa Li. "Du förväntar dig inte att det ska interagera särskilt starkt med kvarg-gluonplasma."

Han sa att en mängd olika teorier erbjöds för att förklara Yangs oväntade upptäckter.

"En föreslagen förklaring är att foton-fotoninteraktionen kommer att se annorlunda ut inte på grund av kvarg-gluonplasma, men eftersom de två jonerna bara kommer närmare varandra, " sa Li. "Det är relaterat till kvanteffekter och hur fotonerna interagerar med varandra."

Om kvanteffekter hade orsakat anomalierna, Yang anade, de kunde skapa detekterbara interferensmönster när joner snävt missade varandra men fotoner från deras respektive lätta moln kolliderade.

"Så de två jonerna, de slår inte varandra direkt, " sa Yang. "De går faktiskt förbi. Det kallas en ultraperifer kollision, eftersom fotonerna kolliderar men jonerna inte träffar varandra. "

Teorin föreslog att kvantinterferensmönster från ultraperifera foton-fotonkollisioner borde variera i direkt proportion till avståndet mellan de passerande jonerna. Med hjälp av data från LHC:s Compact Muon Solenoid (CMS)-experiment, Yang, Li och kollegor fann att de kunde bestämma detta avstånd, eller påverkansparameter, genom att mäta något helt annat.

"De två jonerna, när de kommer närmare, det är större sannolikhet att jonen kan bli exciterad och börja sända ut neutroner, som går rakt ner längs strållinjen, "Sa Li." Vi har en detektor för detta vid CMS. "

Varje ultraperifer foton-fotonkollision producerar ett par partiklar som kallas myoner som vanligtvis flyger från kollisionen i motsatta riktningar. Som förutspått av teorin, Yang, Li och kollegor fann att kvantinterferens förvrängde myonernas avgångsvinkel. Och ju kortare avståndet är mellan nära-missjonerna, desto större förvrängning.

Li sa att effekten uppstår från de kolliderande fotonernas rörelse. Även om var och en rör sig i strålens riktning med sin värdjon, fotoner kan också flytta bort från sina värdar.

"Fotonerna har rörelse i vinkelrät riktning, för, " sa han. "Och det visar sig, exakt, att den där vinkelräta rörelsen blir starkare när påverkansparametern blir mindre och mindre.

"Detta får det att verka som att något ändrar muonerna, " sa Li. "Det ser ut som att den ena går i en annan vinkel än den andra, men det är det verkligen inte. Det är en artefakt av hur fotonens rörelse förändrades, vinkelrätt mot strålens riktning, före kollisionen som gjorde myonerna."

Yang sa att studien förklarar de flesta av de anomalier han tidigare identifierat. Under tiden, studien etablerade ett nytt experimentellt verktyg för att kontrollera effektparametern för fotoninteraktioner som kommer att få långtgående effekter.

"Vi kan bekvämt säga att majoriteten kom från denna QED-effekt, " sa han. "Men det utesluter inte att det fortfarande finns effekter som relaterar till kvarg-gluonplasman. Detta arbete ger oss en mycket exakt baslinje, men vi behöver mer exakta uppgifter. Vi har fortfarande minst 15 år på oss att samla in QGP-data på CMS, och precisionen i data blir högre och högre. "