La creación de materia en una interacción de dos fotones pertenece a una clase de fenómenos muy raros. A partir de los datos del experimento ATLAS en el LHC, recopilados con los nuevos detectores de protones AFP a las energías más altas disponibles hasta la fecha, está surgiendo una imagen más precisa y más interesante de los fenómenos que ocurren durante las colisiones de fotones.

Si apunta una linterna brillante hacia otra, no esperas ningún fenómeno espectacular. Los fotones emitidos por ambas linternas simplemente pasan uno al lado del otro. Sin embargo, en ciertas colisiones que involucran protones de alta energía, la situación es diferente. Los fotones emitidos por dos partículas en colisión pueden interactuar y crear un par de partículas de materia y antimateria. En el experimento ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN cerca de Ginebra se acaban de observar rastros de procesos como estos. Se realizaron observaciones precisas utilizando el nuevo espectrómetro AFP (ATLAS Forward Proton), desarrollado con una participación significativa de científicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia (FIP PAN) en Cracovia. Los físicos polacos, financiado por el Centro Nacional de Ciencias y el Ministerio de Ciencia y Educación Superior, han participado en el desarrollo de detectores de AFP desde la concepción de estos dispositivos.

"Las observaciones de la creación de partículas de materia y antimateria a partir de la radiación electromagnética se remontan a los inicios de la física nuclear, "dice el profesor Janusz Chwastowski, jefe del equipo de físicos de la FIP PAN involucrados en los detectores de AFP.

En efecto, era febrero de 1933 cuando Patrick Blackett (Nobel 1948) y Giuseppe Occhialini informaron de una observación de la creación de un par electrón-positrón iniciado por un cuanto de radiación cósmica. Por lo tanto, la creación de materia y antimateria se notó antes que el proceso inverso, es decir, la famosa y espectacular aniquilación de positrones. Las primeras observaciones de este último fueron hechas en agosto de 1933 por Theodor Heiting, y tres meses después por Frédéric Joliot.

"En los eventos de creación más comúnmente registrados, un fotón se transforma en una partícula y una antipartícula. A diferencia de, el fenómeno que estamos estudiando es de diferente naturaleza. El par partícula-antipartícula surge aquí debido a la interacción de dos fotones. La posibilidad de tales procesos fue reportada por primera vez por Gregory Breit y John A. Wheeler en 1934, "continúa el profesor Chwastowski.

Como una partícula cargada, el protón que se mueve dentro de la tubería del haz del LHC está rodeado por un campo eléctrico. Dado que los portadores de interacciones electromagnéticas son fotones, el protón puede tratarse como un objeto rodeado de fotones.

"En el tubo de la viga del LHC, los protones alcanzan velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz. Un protón y el campo circundante sufren la contracción de Lorentz a lo largo de la dirección del movimiento. Por lo tanto, desde nuestro punto de vista, un protón que se mueve casi a la velocidad de la luz está asociado con oscilaciones particularmente violentas del campo electromagnético. Cuando un protón de este tipo se acerca a otro acelerado en direcciones opuestas, y esta es la situación con la que nos enfrentamos en el LHC, puede producirse una interacción entre los fotones. "explica el Dr. Rafal Staszewski (IFJ PAN).

En el LHC, Las colisiones de haces de protones altamente energéticos ocurren en varios lugares, incluido el que se encuentra dentro del detector gigante ATLAS. Si dos fotones chocan, el resultado podría ser un par electrón-positrón o un par muón-antimuón (un muón es unas 200 veces más masivo que un electrón). Estas partículas, que pertenecen a la familia de los leptones, producido en grandes ángulos con respecto a los haces de protones, se registran dentro del detector ATLAS principal. Tales fenómenos se han observado anteriormente en el LHC.

"La cuestión es, ¡Tenemos dos protagonistas más de los procesos de dos fotones! Estos son, naturalmente, las fuentes de fotones, es decir, los dos protones que pasan. Así llegamos a la esencia de nuestra medida, "dice el Dr. Staszewski y explica:" Como resultado de la emisión de fotones, cada protón pierde algo de energía pero, en tono rimbombante, prácticamente no cambia la dirección de su movimiento. Entonces, escapa del detector junto con otros protones en el haz. Sin embargo, el protón que emitió el fotón tiene una energía ligeramente menor que los protones del haz. Por lo tanto, el campo magnético del acelerador lo desvía más, y esto significa que se aleja gradualmente del rayo. Estos son los protones que estamos buscando con nuestros espectrómetros AFP ".

Cada una de las cuatro unidades de seguimiento AFP contiene cuatro sensores:placas de píxeles semiconductores de 16x20 mm, colocados uno detrás del otro. Un protón que pasa a través de los sensores deposita algo de energía y, por lo tanto, activa los píxeles en su camino. Analizando todos los píxeles activados, se pueden reconstruir la ruta y las propiedades de los protones.

La necesidad de registrar protones desviados solo ligeramente del haz principal significa que los espectrómetros AFP deben insertarse directamente dentro del tubo del haz del LHC, a solo unos milímetros de los haces circulantes.

"Cuando operas tan cerca de un haz de partículas con energías tan altas, tienes que ser consciente de los riesgos. El más mínimo error en la posición del espectrómetro podría provocar que se quemara un agujero. Sería muy perturbador pero ese sería realmente el menor de nuestros problemas. Los escombros resultantes contaminarían al menos una parte del acelerador provocando su apagado durante algún tiempo, "señala el profesor Chwastowski.

Las mediciones aquí descritas se llevaron a cabo con espectrómetros AFP colocados a una distancia de unos 200 m del punto en el que colisionaron los protones.

"Los protones interactúan en el LHC de muchas formas. Como resultado, los protones observados en los espectrómetros de AFP pueden tener su origen en procesos distintos a los asociados con las interacciones fotón-fotón. Para buscar los protones correctos, necesitábamos tener un conocimiento preciso sobre las propiedades de cada partícula, "enfatiza el estudiante de doctorado Krzysztof Ciesla (IFJ PAN), quienes se ocuparon del análisis inicial de los datos brutos recogidos por los espectrómetros AFP en 2017 y convirtiéndolos en información sobre las energías y momentos de los protones registrados. Los resultados de las mediciones de energía de los protones se yuxtapusieron con las energías del par de leptones creado y, basado en principios de conservación, se determinó si el protón observado podría ser la fuente del fotón que interactúa.

Las mediciones realizadas con espectrómetros AFP resultaron ser muy significativas desde el punto de vista estadístico. en nueve desviaciones estándar (sigma). Para comparacion, una medición de cinco sigma suele ser suficiente para anunciar un descubrimiento científico. Entonces, los espectrómetros AFP han pasado con éxito la prueba, demostró la utilidad del método y proporcionó información muy interesante, aunque todavía no está claro, resultados. Resultó que las predicciones teóricas no concuerdan completamente con las características determinadas de las interacciones investigadas. Claramente, hay matices ocultos en los procesos de dos fotones observados en las colisiones protón-protón de alta energía que requieren una mejor comprensión y más mediciones.