La dispersión de luz a luz es un fenómeno poco común en el que dos fotones (partículas de luz) interactúan, produciendo otro par de fotones. La observación directa de este proceso a alta energía había resultado difícil de alcanzar durante décadas, hasta que fue visto por primera vez por el Experimento ATLAS en 2016 y establecido en 2019. En una nueva medición, Los físicos de ATLAS están utilizando la dispersión luz por luz para buscar un fenómeno publicitado más allá del Modelo Estándar de física de partículas:partículas similares a axiones.

Las colisiones de iones de plomo pesados ​​en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) proporcionan el entorno ideal para estudiar la dispersión luz por luz. A medida que se aceleran los racimos de iones de plomo, Se genera un enorme flujo de fotones circundantes correspondiente a un campo eléctrico con una intensidad de hasta 10 ²⁵ voltios por metro. Cuando los iones de haces opuestos pasan uno al lado del otro en el centro del detector ATLAS, sus fotones circundantes pueden interactuar y dispersarse entre sí. Debido a que los iones de plomo pierden solo una pequeña fracción de su energía en este proceso, los iones salientes continúan su camino alrededor del anillo del LHC, invisible para el detector ATLAS. Estas interacciones se conocen como colisiones ultraperiféricas. Esto conduce a una firma de evento distinta, muy diferente a los eventos típicos de colisión de iones de plomo, con dos fotones consecutivos y sin actividad adicional en el detector.

Basado en datos de colisión plomo-plomo registrados en 2015, ATLAS Collaboration encontró la primera evidencia directa de dispersión luz por luz de alta energía. Más recientemente, la Colaboración ATLAS informó la observación de la dispersión luz por luz con una significancia de 8.2 desviaciones estándar, utilizando una gran muestra de datos tomada en 2018.

ATLAS Collaboration ha estudiado el conjunto de datos completo del LHC Run-2 de colisiones de iones pesados ​​para medir la dispersión luz por luz con mayor precisión y más detalle. De las más de cien mil millones de colisiones ultraperiféricas investigadas, ATLAS observó un total de 97 eventos candidatos, mientras que se esperan 27 eventos de procesos en segundo plano. Además de la tasa de producción (sección transversal), ATLAS midió las energías y distribuciones angulares de los fotones producidos (es decir, su cinemática). El resultado explora una gama más amplia de masas de difotones, aumentando el rendimiento de señal esperado en aproximadamente un 50% en comparación con las mediciones ATLAS anteriores.

La medición de la dispersión luz por luz es sensible a procesos más allá del Modelo Estándar, como partículas similares a axiones. Estas son partículas hipotéticas sin espín (escalares) con un número cuántico de paridad impar (el bosón de Higgs, por ejemplo, es un escalar con paridad par) y típicamente interacciones débiles con partículas del modelo estándar. En el nuevo resultado de ATLAS, los físicos consideraron si los pares de fotones que interactúan producen partículas similares a axiones (a) a medida que se dispersan entre sí (γγ → a → γγ), lo que conduciría a un exceso de eventos de dispersión con una masa de difotón igual a la masa de a. Examinaron la distribución de masa de difotones para un rango de masa de entre 6 y 100 GeV. No se encontró en el análisis un exceso significativo de eventos sobre el fondo esperado. Los físicos de ATLAS pudieron derivar, a un nivel de confianza del 95%, un enlace de exclusión de las partículas similares a axiones que se acoplan a los fotones (Figura 2). Suponiendo que el 100% de las supuestas partículas se desintegran en fotones, Este nuevo análisis coloca los límites existentes más fuertes en la producción de partículas similares a axiones en el rango de masa examinado hasta la fecha.

Con el conjunto de datos mucho más grande que se espera en las futuras ejecuciones del LHC, Los físicos continuarán explorando la sensibilidad de la dispersión de luz a luz a fenómenos más allá del Modelo Estándar.