Durante la Conferencia Internacional sobre Física de Altas Energías (ICHEP 2020), la colaboración ATLAS presentó la primera observación de colisiones de fotones que producen pares de bosones W, partículas elementales que llevan la fuerza débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales. El resultado demuestra una nueva forma de utilizar el LHC, es decir, como un colisionador de fotones de alta energía que explora directamente las interacciones electrodébiles. Confirma una de las principales predicciones de la teoría electrodébil, que los portadores de fuerza pueden interactuar con ellos mismos, y proporciona nuevas formas de probarla.

Según las leyes de la electrodinámica clásica, dos haces de luz que se cruzan no se desvían, absorberse o perturbarse unos a otros. Sin embargo, efectos de la electrodinámica cuántica (QED), la teoría que explica cómo interactúan la luz y la materia, Permitir interacciones entre fotones.

En efecto, no es la primera vez que se estudian fotones que interactúan a altas energías en el LHC. Por ejemplo, "dispersión" luz a luz, donde un par de fotones interactúan produciendo otro par de fotones, es una de las predicciones más antiguas de QED. La primera evidencia directa de dispersión luz por luz fue reportada por ATLAS en 2017, explotar los fuertes campos electromagnéticos que rodean a los iones de plomo en colisiones plomo-plomo de alta energía. En 2019 y 2020, ATLAS estudió más a fondo este proceso midiendo sus propiedades.

El nuevo resultado informado en esta conferencia es sensible a otro fenómeno raro en el que dos fotones interactúan para producir dos bosones W de carga eléctrica opuesta a través (entre otros) de la interacción de cuatro portadores de fuerza. Los fotones cuasi reales de los haces de protones se dispersan entre sí para producir un par de bosones W. Un primer estudio de este fenómeno fue informado previamente por ATLAS y CMS en 2016, a partir de los datos registrados durante la ejecución 1 del LHC, pero se requirió un conjunto de datos más grande para observarlo sin ambigüedades.

La observación se obtuvo con una evidencia estadística altamente significativa de 8.4 desviaciones estándar, correspondiente a una probabilidad insignificante de deberse a una fluctuación estadística. Los físicos de ATLAS utilizaron un conjunto de datos considerablemente mayor tomado durante la Ejecución 2, la recopilación de datos de cuatro años en el LHC que finalizó en 2018, y desarrolló un método de análisis personalizado.

Debido a la naturaleza del proceso de interacción, las únicas pistas de partículas visibles en el detector central son los productos de desintegración de los dos bosones W, un electrón y un muón con carga eléctrica opuesta. Los pares W-bosón también se pueden producir directamente a partir de interacciones entre quarks y gluones en los protones en colisión con mucha más frecuencia que a partir de interacciones fotón-fotón. pero estos van acompañados de pistas adicionales de fuertes procesos de interacción. Esto significa que los físicos de ATLAS tuvieron que desenredar cuidadosamente las pistas de colisión para observar este raro fenómeno.

"Esta observación abre una nueva faceta de la exploración experimental en el LHC utilizando fotones en el estado inicial", dijo Karl Jakobs, portavoz de la colaboración ATLAS. "Es único, ya que solo implica acoplamientos entre portadores de fuerza electrodébiles en el entorno del LHC dominado por interacciones fuertes. Con conjuntos de datos futuros más grandes, se puede utilizar para sondear de manera limpia la estructura de calibre electrodébil y las posibles contribuciones de la nueva física. "

En efecto, el nuevo resultado confirma una de las principales predicciones de la teoría electrodébil, a saber que, además de interactuar con partículas ordinarias de materia, los portadores de fuerza, también conocidos como bosones gauge, los bosones W, el bosón Z y el fotón también interactúan entre sí. Las colisiones de fotones proporcionarán una nueva forma de probar el modelo estándar y sondear nuevas físicas, que es necesario para una mejor comprensión del universo.