Feynman-Diagramm für Photon-Photon-Streuung. Die Photonen selbst können nicht miteinander wechselwirken, da es sich um neutrale Teilchen handelt. Daher wird eines der Photonen zu einem Teilchen-Antiteilchen-Paar, mit dem das andere Photon wechselwirkt.
Physiker der ATLAS-Kollaboration waren die ersten, die den Effekt der Streuung von Lichtquanten, Photonen, durch Photonen registrierten. Dieser Effekt ist eine der ältesten Vorhersagen der Quantenelektrodynamik, er wurde vor mehr als 70 Jahren theoretisch beschrieben, aber noch nicht experimentell entdeckt. Interessanterweise verletzt es die klassischen Maxwell-Gleichungen, da es sich um ein reines Quantenphänomen handelt. Die Studie wurde diese Woche in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht, aber ein Vorabdruck des Artikels erschien bereits im Februar 2017. Details über ihn wurden vom Portal "Elements.ru" gemeldet.
Eine der Haupteigenschaften der klassischen Maxwellschen Elektrodynamik ist das Superpositionsprinzip für elektromagnetische Felder im Vakuum. Es ermöglicht Ihnen, Felder aus verschiedenen Gebühren direkt hinzuzufügen. Da Photonen Feldanregungen sind, können sie im Rahmen der klassischen Elektrodynamik nicht miteinander wechselwirken. Stattdessen müssen sie frei durcheinander hindurchgehen.
ATLAS-Detektormagnete
Die Quantenelektrodynamik erweitert die Wirkung der klassischen Theorie auf die Bewegung geladener Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit, zusätzlich berücksichtigt sie die Quantisierung der Energie der Felder. Dadurch ist es in der Quantenelektrodynamik möglich, ungewöhnliche Phänomene im Zusammenhang mit hochenergetischen Prozessen zu erklären - zum Beispiel die Bildung von Elektronen- und Positronenpaaren aus einem Vakuum in hochintensiven Feldern.
In der Quantenelektrodynamik können zwei Photonen miteinander kollidieren und streuen. Dieser Prozess verläuft jedoch nicht direkt – Lichtquanten sind ungeladen und können nicht miteinander interagieren. Stattdessen entsteht zwischenzeitlich aus einem Photon ein virtuelles Teilchen-Antiteilchen-Paar (Elektron-Positron), mit dem das zweite Photon wechselwirkt. Ein solcher Prozess ist für sichtbare Lichtquanten sehr unwahrscheinlich. Dies lässt sich aus der Tatsache abschätzen, dass Licht von Quasaren, die sich 10 Milliarden Lichtjahre entfernt befinden, die Erde erreicht. Aber mit einer Erhöhung der Photonenenergie steigt die Wahrscheinlichkeit des Prozesses mit der Erzeugung virtueller Elektronen.
Bisher reichten Intensität und Energie selbst der stärksten Laser nicht aus, um die Streuung von Photonen direkt zu sehen. Forscher haben jedoch bereits einen Weg gefunden, diesen Prozess indirekt zu sehen, zum Beispiel im Zerfall eines Photons in ein Paar niederenergetischer Quanten in der Nähe des schweren Atomkerns.
Nur am Large Hadron Collider war es möglich, die Streuung eines Photons an einem Photon direkt zu sehen. Der Prozess wurde in Experimenten unterscheidbar, nachdem 2015 die Teilchenenergie im Beschleuniger erhöht wurde – mit dem Start von Run 2. Physiker der ATLAS-Kollaboration untersuchten die Prozesse von "ultraperipheren" Kollisionen zwischen schweren Bleikernen, die durch den Collider auf Energien von 5 Teraelektronenvolt beschleunigt werden pro Nukleon des Kerns. Bei solchen Kollisionen kollidieren die Kerne selbst nicht direkt miteinander. Stattdessen gibt es eine Wechselwirkung ihrer elektromagnetischen Felder, in der Photonen mit enormen Energien auftreten (dies liegt an der Nähe der Kerngeschwindigkeit zur Lichtgeschwindigkeit).
Photon-zu-Photon-Streuereignis (gelbe Strahlen)
Ultra-Periphere Kollisionen sind sehr sauber. In ihnen gibt es bei erfolgreicher Streuung nur ein Photonenpaar mit in verschiedene Richtungen gerichteten Transversalimpulsen. Im Gegensatz dazu bilden gewöhnliche Kollisionen von Kernen Tausende von neuen Teilchenfragmenten. Unter den vier Milliarden Ereignissen, die ATLAS im Jahr 2015 basierend auf der Statistik der Kollisionen von Bleikernen gesammelt hat, konnten die Wissenschaftler 13 auswählen, die der Streuung entsprechen. Dies ist etwa das 4,5-fache des von Physikern erwarteten Hintergrundsignals.
Diagramm des Streuprozesses im Collider. Zwei Kerne fliegen nah - ihre elektromagnetischen Felder interagieren
Die Kollaboration wird den Prozess Ende 2018 weiter untersuchen, wenn am Collider wieder eine Sitzung schwerer Kernkollisionen stattfinden wird. Interessanterweise erwies sich der ATLAS-Detektor als geeignet für die Suche nach seltenen Ereignissen der Photon-zu-Photon-Streuung, obwohl ein anderes Experiment, ALICE, speziell darauf ausgelegt war, Kollisionen schwerer Kerne zu analysieren.
Am Large Hadron Collider wird nun die Sammlung von Statistiken über Proton-Proton-Kollisionen fortgesetzt. Wissenschaftler berichteten kürzlich über die Entdeckung des ersten doppelcharmanten Baryons an einem Beschleuniger, und bereits im Frühjahr sprachen Physiker der ATLAS-Kollaboration über einen ungewöhnlichen Ereignisüberschuss bei der Produktion zweier schwacher Wechselwirkungsbosonen im Hochenergiebereich (etwa drei Teraelektronenvolt). Es kann auf ein neues superschweres Teilchen hinweisen, aber die statistische Signifikanz des Signals überschreitet noch nicht drei Sigma.
