Los físicos del experimento ATLAS en el CERN han encontrado la primera evidencia directa de dispersión de luz a luz de alta energía, un proceso muy raro en el que dos fotones, partículas de luz, interactúan y cambian de dirección. El resultado, publicado hoy en Física de la naturaleza , confirma una de las predicciones más antiguas de la electrodinámica cuántica (QED).

"Este es un resultado histórico:la primera evidencia directa de que la luz interactúa consigo misma a alta energía, "dice Dan Tovey (Universidad de Sheffield), Coordinador de Física de ATLAS. "Este fenómeno es imposible en las teorías clásicas del electromagnetismo; por lo tanto, este resultado proporciona una prueba sensible de nuestra comprensión de la QED, la teoría cuántica del electromagnetismo ".

La evidencia directa de la dispersión luz por luz a alta energía había resultado esquiva durante décadas, hasta que comenzó la segunda ejecución del Gran Colisionador de Hadrones en 2015. Cuando el acelerador chocó con iones de plomo a tasas de colisión sin precedentes, obtener pruebas de la dispersión luz por luz se convirtió en una posibilidad real. "Esta medición ha sido de gran interés para las comunidades físicas de iones pesados ​​y de alta energía durante varios años, ya que los cálculos de varios grupos mostraron que podríamos lograr una señal significativa al estudiar las colisiones de iones de plomo en la Ejecución 2, "dice Peter Steinberg (Laboratorio Nacional Brookhaven), Coordinador del Grupo de Física de Iones Pesados ​​ATLAS.

Las colisiones de iones pesados ​​proporcionan un entorno excepcionalmente limpio para estudiar la dispersión luz a luz. A medida que se aceleran los racimos de iones de plomo, Se genera un enorme flujo de fotones circundantes. Cuando los iones se encuentran en el centro del detector ATLAS, muy pocos chocan, sin embargo, los fotones que los rodean pueden interactuar y dispersarse entre sí. Estas interacciones se conocen como "colisiones ultraperiféricas".

Estudiando más de 4 mil millones de eventos tomados en 2015, la colaboración ATLAS encontró 13 candidatos para la dispersión luz por luz. Este resultado tiene una significación de 4,4 desviaciones estándar, permitiendo a la colaboración ATLAS reportar la primera evidencia directa de este fenómeno a alta energía.

"Encontrar evidencia de esta rara firma requirió el desarrollo de un nuevo 'disparador' sensible para el detector ATLAS, ", dice Steinberg." La firma resultante, dos fotones en un detector que de otro modo estaría vacío, es casi diametralmente opuesto al evento tremendamente complicado que típicamente se espera de las colisiones de núcleos de plomo. El éxito del nuevo disparador en la selección de estos eventos demuestra el poder y la flexibilidad del sistema, así como la habilidad y experiencia del análisis y los grupos desencadenantes que lo diseñaron y desarrollaron ".

Los físicos de ATLAS continuarán estudiando la dispersión luz por luz durante la próxima ejecución de iones pesados ​​del LHC, programado para 2018. Más datos mejorarán aún más la precisión del resultado y pueden abrir una nueva ventana a los estudios de nueva física. Además, el estudio de las colisiones ultraperiféricas debería desempeñar un papel más importante en el programa de iones pesados ​​del LHC, a medida que las tasas de colisión aumentan aún más en la Ejecución 3 y posteriores.