Библиотека по физике Библиотека по физике
Новости    Библиотека    Энциклопедия    Биографии    Ссылки    Карта сайта    О сайте


15.02.2017

Детектор ATLAS увидел рассеяние света на свете

Коллаборация ATLAS, работающая на Большом адронном коллайдере, сообщила о надежной регистрации знаменитого, но трудного для измерения процесса квантовой электродинамики — рассеяния света на свете. Это удалось сделать после обработки данных по столкновению тяжелых ядер большой энергии в 2015 году. Измеренные характеристики процесса в пределах погрешностей совпадают с предсказаниями Стандартной модели.

Рис. 1. Рождение двух фотонов умеренно большой энергии в детекторе ATLAS без сопровождения других частиц
Рис. 1. Рождение двух фотонов умеренно большой энергии в детекторе ATLAS без сопровождения других частиц

Процесс упругого столкновения двух фотонов γγ→γγ, или «рассеяние света на свете», — это один из знаменитых примеров того, как квантовые эффекты меняют законы классической электродинамики. В рамках обычной оптики два луча света, проходящие друг сквозь друга в вакууме, никак не взаимодействуют, не влияют друг на друга. В квантовой теории поля такое влияние становится возможным: один из фотонов на короткое время превращается в виртуальную пару заряженных частиц, и на ней рассеивается встречный фотон (рис. 2).

Рис. 2. Фейнмановская диаграмма, описывающая процесс столкновения двух фотонов
Рис. 2. Фейнмановская диаграмма, описывающая процесс столкновения двух фотонов

Для обычных оптических фотонов сечение этого рассеяния настолько мало, что нет никакого шанса зарегистрировать его в лаборатории. Однако с повышением энергии фотонов сечение резко растет, и его можно заметить на космических масштабах (см. на эту тему задачу Столкновение фотонов). В лабораторных экспериментах с элементарными частицами «рассеяние света на свете» для больших энергий фотонов тоже иногда встречается. Самые известные варианты этого процесса, уже зарегистрированные в эксперименте, — это рождение двух фотонов через промежуточные мезоны в электрон-позитронных столкновениях, а также рассеяние либо расщепление фотона на два в поле тяжелого ядра.

И вот этот красивый процесс впервые увидели на Большом адронном коллайдере: коллаборация ATLAS опубликовала на днях статью Evidence for light-by-light scattering in heavy-ion collisions with the ATLAS detector at the LHC (arXiv:1702.01625) с результатами этого анализа. Статья направлена в журнал Nature Physics; популярный рассказ об этой работе появился в журнале CERN Courier.

Анализ базируется на данных, набранных в 2015 году во время специального сеанса ядерных столкновений. Польза от тяжелых ядер в том, что из-за большого электрического заряда вокруг них создается сильное электрическое поле. Два встречных ядра могут «промазать», пролететь мимо друг друга без столкновений, но их электрические поля — столкнутся. Очень важно, что сами ядра при этом летят с околосветовой скоростью. То, что выглядит как обычное электростатическое поле для покоящегося ядра, превращается для быстрого ядра в поле электромагнитное, то есть в поток почти реальных фотонов большой плотности, которые летят рядом с ядром. Может показаться удивительным, что одна и та же система (в нашем случае — ядро и его поле) выглядят совершенно по-разному в разных системах отсчета, но таковы свойства квантового микромира; подробнее об этом на примере сильного взаимодействия читайте в статье Многоликий протон. В итоге эти почти реальные фотоны от двух встречных ядер сталкиваются и разлетаются в стороны, — именно их и регистрирует детектор (рис. 3). Подробнее про двухфотонные процессы можно узнать из серии видеолекций В. Г. Сербо из НГУ.

Рис. 3. Два встречных ядра высокой энергии могут столкнуться не напрямую, а своими электромагнитными полями, и в этом электромагнитном столкновении может родиться система частиц X. Рассеяние света на свете — это процесс, когда X — это два фотона большой энергии
Рис. 3. Два встречных ядра высокой энергии могут столкнуться не напрямую, а своими электромагнитными полями, и в этом электромагнитном столкновении может родиться система частиц X. Рассеяние света на свете — это процесс, когда X — это два фотона большой энергии

Характерная особенность такого процесса — его исключительная чистота, отсутствие в детекторе посторонних частиц. На рис. 1 показано одно такое событие-кандидат в рассеяние света на свете. Вместо тысяч частиц, которые обычно видит детектор в жестких ядерных столкновениях, здесь всё пусто, есть только два фотона с противоположными поперечными импульсами. Благодаря этому отбор событий производится очень эффективно: среди миллиардов событий, зарегистрированных детектором ATLAS, только 13 прошли все стадии отбора. Конечно, во всех поисках может существовать фон из посторонних процессов, но для этого анализа он совсем низкий: по результатам моделирования ожидалось всего 2,6±0,7 фоновых событий. Таким образом, ATLAS видит существенное превышение данных над фоном и сообщает о надежных указаниях на рассеяние света на свете в области энергий несколько ГэВ (статистическая значимость эффекта — 4,4σ).

Даже с 13 событиями можно провести некоторый статистический анализ. Коллаборация ATLAS изучила распределение событий по углам вылета, поперечному импульсу и его дисбалансу, по инвариантной массе, а также измерила сечение процесса: 70±24±17 nb (здесь указаны статистическая и систематическая погрешности). Оно оказалось чуть выше предсказаний Стандартной модели для этого диапазона энергий и быстрот (40–60 nb), но вполне согласуется с ним в пределах погрешностей.

Нельзя сказать, что от этого процесса ожидали каких-то сюрпризов. Интерес тут, скорее, «статусный» — зарегистрировать в чистом виде, без «помощи» промежуточных мезонов-резонансов, классический, но трудноуловимый эффект, который постоянно упоминается во вводных курсах квантовой физики.

Источник: ATLAS Collaboration. Evidence for light-by-light scattering in heavy-ion collisions with the ATLAS detector at the LHC // препринт arXiv:1702.01625 [hep-ex].

Игорь Иванов


Источники:

  1. elementy.ru




Пользовательского поиска






© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2017
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник:
http://physiclib.ru/ 'PhysicLib.ru: Библиотека по физике'

Рейтинг@Mail.ru