La dispersión de luz a luz es un fenómeno muy raro en el que interactúan dos fotones, produciendo otro par de fotones. Este proceso fue una de las primeras predicciones de la electrodinámica cuántica (QED), la teoría cuántica del electromagnetismo, y está prohibido por las teorías de la física clásica (como la teoría de la electrodinámica de Maxwell).

La evidencia directa de la dispersión de luz a luz a alta energía había resultado esquiva durante décadas, hasta que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) comenzó su segundo período de toma de datos (Ejecución 2). Las colisiones de iones de plomo en el LHC proporcionan un entorno excepcionalmente limpio para estudiar la dispersión luz a luz. Los racimos de iones de plomo que se aceleran a una energía muy alta están rodeados por un enorme flujo de fotones. En efecto, la acción coherente de la gran cantidad de 82 protones en un átomo de plomo con todos los electrones despojados (como es el caso de los iones de plomo en el LHC) da lugar a un campo electromagnético de hasta 10 ²⁵ Voltios por metro. Cuando dos iones de plomo pasan cerca uno del otro en el centro del detector ATLAS, pero a una distancia superior al doble del radio de los iones de plomo, esos fotones aún pueden interactuar y dispersarse entre sí sin ninguna interacción adicional entre los iones de plomo, ya que el alcance de la fuerza fuerte (mucho más fuerte) está ligado al radio de un solo protón. Estas interacciones se conocen como colisiones ultraperiféricas.

En un resultado publicado en Física de la naturaleza en 2017, el Experimento ATLAS en el CERN encontró trece eventos candidatos para la dispersión luz a luz en los datos de colisión plomo-plomo registrados en 2015, para 2.6 eventos esperados de procesos en segundo plano. El significado correspondiente de este resultado fue 4.4 desviaciones estándar, lo que lo convierte en la primera evidencia directa de dispersión de luz a luz de alta energía.

El 17 de marzo de 2019, en el Rencontres de Moriond conferencia (La Thuile, Italia), el Experimento ATLAS informó el observación de la dispersión luz a luz con una significancia de 8.2 desviaciones estándar. El resultado utiliza datos de la ejecución de iones pesados ​​más reciente del LHC, que tuvo lugar en noviembre de 2018. Aproximadamente 3,6 veces más eventos (1,73 nb ⁻¹ ) se recopilaron en comparación con 2015. El mayor conjunto de datos, en combinación con técnicas de análisis mejoradas, permitió la medición de la dispersión de luz a luz con una precisión muy mejorada. Se observaron un total de 59 eventos candidatos, para 12 eventos esperados de procesos en segundo plano. De estos números, la sección transversal de este proceso, restringido a la región cinemática considerada en el análisis, se calculó como 78 ± 15 nb.

Curiosamente, la firma de este proceso, dos fotones en un detector que de otro modo estaría vacío, es casi lo opuesto a los eventos tremendamente ricos y complejos que se observan típicamente en las colisiones de alta energía de dos núcleos de plomo. Observarlo requirió el desarrollo de algoritmos de activación mejorados para una rápida selección de eventos en línea, así como un algoritmo de identificación de fotones específicamente ajustado mediante una red neuronal, ya que los fotones estudiados tienen aproximadamente diez veces menos energía que los fotones de menor energía que se miden habitualmente con el detector ATLAS. Ser capaz de registrar estos eventos demuestra el poder y la flexibilidad del detector ATLAS y su reconstrucción de eventos, que fue diseñado para topologías de eventos muy diferentes.

Esta nueva medición abre la puerta a un mayor estudio del proceso de dispersión luz por luz, que no solo es interesante en sí mismo como una manifestación de un fenómeno QED extremadamente raro, pero puede ser sensible a las contribuciones de partículas más allá del Modelo Estándar. Permite una nueva generación de búsquedas de partículas ligeras y neutras hipotéticas.