En el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, los campos electromagnéticos de los núcleos de plomo contraídos por Lorentz en las colisiones de iones pesados ​​actúan como fuentes intensas de fotones de alta energía, o partículas de luz. Este entorno permite a los físicos de partículas estudiar los procesos de dispersión inducidos por fotones, que no se puede estudiar en otro lugar.

Un proceso clave examinado por los físicos del Experimento ATLAS implica la aniquilación de fotones en pares de muones con carga opuesta. Estos "procesos de dos fotones" electromagnéticos se estudian típicamente en "colisiones ultraperiféricas" (UPC), donde la separación transversal entre los núcleos de plomo en colisión es mayor que la suma de sus radios, dando como resultado que no haya interacciones fuertes directas entre los núcleos en colisión. Esto proporciona un entorno limpio para el estudio de interacciones electromagnéticas a alta energía e intensidad. Sin embargo, estos procesos de dos fotones también están presentes en colisiones donde los dos núcleos se superponen ("eventos de colisión central") y producen plasma de quark-gluón. Los muones producidos pueden, en principio, interactuar con las cargas en el plasma, haciendo de los pares de muones creados en procesos de dos fotones una sonda potencialmente valiosa de los campos electromagnéticos en el plasma.

The ATLAS Collaboration lanzó recientemente un nuevo, medición integral de las distribuciones de pares de muones de procesos de aniquilación de dos fotones, en eventos de colisión UPC y no UPC. La medición utiliza el gran conjunto de datos registrado durante las ejecuciones de iones pesados ​​del LHC de 2015 y 2018.

Los físicos de ATLAS encontraron que las distribuciones de pares de muones variaban sistemáticamente dependiendo de la "centralidad" de la colisión (una medida de cómo chocan dos núcleos de frente). Este comportamiento es cuantificado por el observable k _⊥ que representa el momento transversal del par de dimuones perpendicular a las direcciones del muón. La figura muestra la distribución de varias clases de centralidad diferentes, que van desde eventos UPC hasta eventos de colisión central.

Se observa un cambio significativo en las distribuciones de UPC a eventos de colisión periféricos a centrales. En particular, para los eventos de la UPC, es más probable que los dos muones se produzcan uno tras otro, que lleva a la k _⊥ distribuciones que alcanzan su punto máximo en k _⊥ =0 MeV. Sin embargo, en colisiones más centrales con interacciones hadrónicas, es más probable que los dos muones tengan un ligero cambio de ser puramente consecutivos, resultando el k _⊥ distribuciones para tener un valor más probable mayor que cero. El valor más probable de k⊥ cambia, dependiendo de la centralidad del evento de colisión, de k _⊥ =0 MeV en eventos UPC a k _⊥ =36 ± 1 MeV en el 0-5% de la mayoría de las colisiones centrales.

Estas mediciones proporcionan una nueva perspectiva de la posible interacción de los muones salientes con cargas o campos electromagnéticos presentes en el plasma de quarks-gluones. Sin embargo, cálculos recientes sugieren que efectos similares a los observados en los datos pueden resultar de una combinación del ensanchamiento del estado inicial de los momentos transversales del fotón y del propio proceso de producción. Se necesitan análisis futuros y mediciones adicionales para establecer los mecanismos responsables de las características observadas en los datos.