Les scientifiques de la collaboration ATLAS au LHC ont trouvé des preuves de la diffusion lumière par lumière, dans laquelle deux photons interagissent et changent de trajectoire. Chercheurs de DESY, l'Université Johannes Gutenberg de Mayence et l'Université des sciences et technologies AGH de Cracovie ont réalisé l'étude.

"Selon l'électrodynamique classique, les faisceaux lumineux se croisent sans se disperser. Mais si l'on prend en compte la physique quantique, la lumière peut être diffusée par la lumière, même si ce phénomène semble très improbable", explique Mateusz Dyndal, un scientifique de DESY qui a joué un rôle majeur dans l'analyse des données. L'une des plus anciennes prédictions de l'électrodynamique quantique dit que les photons, les particules porteuses de la force électromagnétique, peuvent interagir et se disperser. Ce procédé a été testé dans différents environnements, mais une observation directe de la diffusion lumière par lumière n'a pas été réalisée auparavant.

En 2012, les physiciens ont proposé que la diffusion lumière par lumière puisse être observée dans les collisions au LHC. Les protons accélérés à presque la vitesse de la lumière produisent un champ électromagnétique très puissant. Le champ généré est encore plus fort lorsqu'on utilise des ions plomb plutôt que des protons. Lorsque deux de ces ions se croisent dans une collision dite ultra-périphérique, deux photons peuvent se disperser alors que les ions eux-mêmes restent intacts. Les scientifiques observent alors deux photons de basse énergie avec des propriétés cinématiques spécifiques et aucune activité supplémentaire dans le détecteur. Sur la base des données prises en 2015 au LHC, Les physiciens de l'expérience ATLAS ont mené une recherche sur la diffusion lumière par lumière et ont trouvé des preuves de 4,4 du phénomène. La valeur décrit la signification statistique d'un résultat scientifique. Les physiciens parlent généralement d'une « découverte » s'ils trouvent un résultat de 5  et appellent un résultat de 3  une « preuve » pour quelque chose de nouveau. La diffusion lumière par lumière a une très petite section transversale, ce qui signifie que cela arrive très rarement. Ainsi en quatre milliards d'événements analysés, seuls 13 candidats pour de tels événements diphotoniques ont été observés.

Parce que les scientifiques n'ont observé que quelques événements attribués à la diffusion lumière par lumière, la précision statistique de leurs résultats est limitée. Au début de la prochaine exécution plomb-plomb au LHC (fin 2018), ils espèrent collecter plus de données pour tester plus précisément ce phénomène. D'autres études pourraient également ouvrir une fenêtre supplémentaire sur la nouvelle physique au LHC. "Peut-être pouvons-nous trouver des preuves de la physique au-delà du modèle standard de la physique des particules, par exemple des particules de type axion qui sont un candidat possible pour la matière noire. Différents concepts théoriques prédisent que la diffusion lumière par lumière peut être sensible à de telles particules", dit Dyndal.