Dar vienas fantastiškas LHC pasiekimas patvirtino kvantinės fizikos prognozes

CERN vykdomo ATLAS eksperimento fizikai aptiko pirmuosius tiesioginius duomenis apie didelės šviesos sklaidymą šviesa, itin retą procesą, kai du fotonai – šviesos dalelės – sąveikauja ir pakeičia sklidimo kryptį. „Nature Physics“ publikuoti duomenys patvirtina vieną iš seniausių kvantinės elektrodinamikos (QED) prognozių.

„Tai itin svarbus rezultatas: pirmasis tiesioginis įrodymas, kad aukštų energijų šviesa sąveikauja su savimi, – sako Dan Tovey (Sheffieldo universitetas), ATLAS fizikos koordinatorius. – Klasikinėse elektromagnetizmo teorijose toks fenomenas neįmanomas; tad šis rezultatas yra labai jautrus mūsų supratimo apie QED, kvantinę elektromagnetizmo teoriją, patikrinimas.“

ATLAS dalelių detektorius
© omicron.aeon.co

Klasikinis požiūris turi rimtą empirinį pagrindą – net pačių tolimiausių žvaigždžių šviesa astronomus pasiekia nepakitusi, nors jos kosminiame kelyje pilna visokiausio spinduliavimo, pradedant kosmine fonine radiacija. Tačiau netgi atsklidusiame per milijardus šviesmečių spinduliavime nėra požymių, kad keliaudami iki teleskopo, fotonai būtų sąveikavę su kokiu nors kitu elektromagnetiniu spinduliavimu.

Kvantinės elektrodinamikos požiūriu, tai priklauso tik nuo energijos. Priminsime, kad fotonas turi energiją, kuri tiesiogiai proporcinga jo dažniui, arba atvirkščiai proporcinga bangos ilgiui, t. y. violetinės spalvos fotono (bangos ilgis 0,38 µm) energija didesnė, nei raudonos spalvos fotonas (0,77 µm), o rentgeno fotonas jiems abiems šluosto nosį. Kad dviejų fotonų sąveikos tikimybė būtų pakankamai didelė, jų energija irgi turi būtinemenka. Tiksliau, netgi labai didelė: ne viena skaičio dydžio eile didesnė už rentgeno.

Tiesioginių didelės energijos šviesos tarpusavio sklaidymo įrodymus bandyta gauti ne vieną dešimtmetį – kol galiausiai 2015 metais buvo pradėtas antrasis LHC naudojimo etapas. Kadangi greitintuvas atlikdavo daugybę neregėtai galingų švino jonų sudaužimų, šviesos išsklaidymo šviesa įrodymų gavimas tapo realia galimybe. „Šis išmatavimas kelerius metus itin domino sunkiųjų jonų ir aukštų energijų fizikų bendruomenes, nes kelių grupių skaičiavimai rodė, kad gali pavykti aptikti reikšmingą signalą, tiriant švino jonų susidūrimus antrajame LHC etape (Run 2),“ sako Peteris Steinbergas (Brookhaveno nacionalinė laboratorija), ATLAS sunkiųjų jonų fizikos grupės vadovas.

Sunkiųjų jonų susidaužimai suteikia unikaliai švarią aplinką tyrinėti šviesos tarpusavio sąveiką. Greitinant švino jonus, sukuriamas neįtikėtinai stiprus fotonų srautas. Kai jonai susitinka ATLAS detektoriaus centre, labai mažai jų susiduria, tačiau juos supantys fotonai gali sąveikauti tarpusavyje ir išsklaidyti vienas kitą. Tokios sąveikos vadinamos „ultraperiferiniais susidūrimais“.

Tyrinėdami daugiau nei 4 milijardus 2015 metais užfiksuotų įvykių, ATLAS mokslininkai aptiko 13 šviesa-šviesa išsklaidymo kandidatų. Šio rezultato reikšmingumas yra 4,4 standartinis nuokrypis, tad ATLAS mokslininkai galėjo pranešti apie pirmą tiesioginį tokio fenomeno užfiksavimą.

„Šio reto įvykio užfiksavimui reikėjo sukurti naują jautrų „gaiduką“ ATLAS detektoriui, – sako Steinbergas. – Gaunamas vaizdas – du fotonai tuščiame detektoriuje – yra praktiškai diametraliai priešingas neįtikėtinai sudėtingiems įvykiams, kokių galima būtų tikėtis iš švino jonų susidūrimų. Tokių įvykių fiksavimo sėkmė rodo sistemos galią ir lankstumą, o taip pat jį sugalvojusių ir sukūrusių analizės grupių žinias ir įgūdžius.“

ATLAS fizikai tęs šviesos sklaidymą šviesa per būsimą LHC sunkiųjų jonų greitintuvo paleidimą, suplanuotą 2018 m. Daugiau duomenų dar pagerins rezultato tikslumą ir gali atverti naujos fizikos tyrinėjimų langą. Be to, ultraperiferinių susidūrimų turėtų vaidinti svarbesnį vaidmenį LHC sunkiųjų jonų programoje, nes susidūrimų bus dar daugiau per „Run 3“ ir dar vėliau.