Les physiciens de l'expérience ATLAS au CERN ont trouvé la première preuve directe de la diffusion lumière par lumière à haute énergie, un processus très rare dans lequel deux photons - des particules de lumière - interagissent et changent de direction. Le résultat, publié aujourd'hui dans Physique de la nature , confirme l'une des plus anciennes prédictions de l'électrodynamique quantique (QED).

« C'est un résultat marquant :la première preuve directe de l'interaction de la lumière avec elle-même à haute énergie, " dit Dan Tovey (Université de Sheffield), Coordinateur physique d'ATLAS. "Ce phénomène est impossible dans les théories classiques de l'électromagnétisme; par conséquent, ce résultat fournit un test sensible de notre compréhension de la QED, la théorie quantique de l'électromagnétisme."

Les preuves directes de la diffusion lumière par lumière à haute énergie s'étaient révélées insaisissables pendant des décennies - jusqu'au début de la deuxième période du Grand collisionneur de hadrons en 2015. Alors que l'accélérateur heurtait les ions plomb à des taux de collision sans précédent, obtenir des preuves de la diffusion lumière par lumière est devenu une réelle possibilité. "Cette mesure intéresse depuis plusieurs années les milieux de la physique des ions lourds et des hautes énergies, comme les calculs de plusieurs groupes ont montré que nous pourrions obtenir un signal significatif en étudiant les collisions d'ions de plomb dans la course 2, " dit Peter Steinberg (Brookhaven National Laboratory), Responsable du groupe de physique des ions lourds ATLAS.

Les collisions d'ions lourds fournissent un environnement particulièrement propre pour étudier la diffusion lumière par lumière. Comme des grappes d'ions plomb sont accélérées, un énorme flux de photons environnants est généré. Lorsque les ions se rencontrent au centre du détecteur ATLAS, très peu se heurtent, pourtant leurs photons environnants peuvent interagir et se disperser les uns les autres. Ces interactions sont connues sous le nom de « collisions ultrapériphériques ».

En étudiant plus de 4 milliards d'événements pris en 2015, la collaboration ATLAS a trouvé 13 candidats pour la diffusion lumière par lumière. Ce résultat a une signification de 4,4 écarts-types, permettant à la collaboration ATLAS de rapporter la première preuve directe de ce phénomène à haute énergie.

"Trouver des preuves de cette signature rare a nécessité le développement d'un nouveau "déclencheur" sensible pour le détecteur ATLAS, " dit Steinberg. " La signature résultante - deux photons dans un détecteur autrement vide - est presque l'opposé diamétral des événements extrêmement compliqués typiquement attendus des collisions de noyaux de plomb. Le succès du nouveau déclencheur dans la sélection de ces événements démontre la puissance et la flexibilité du système, ainsi que la compétence et l'expertise des groupes d'analyse et de déclenchement qui l'ont conçu et développé."

Les physiciens d'ATLAS continueront d'étudier la diffusion lumière par lumière pendant la prochaine période d'exploitation des ions lourds du LHC, prévu pour 2018. Davantage de données amélioreront encore la précision du résultat et pourraient ouvrir une nouvelle fenêtre vers des études de nouvelle physique. En outre, l'étude des collisions ultrapériphériques devrait jouer un rôle plus important dans le programme ions lourds du LHC, à mesure que les taux de collision augmentent encore dans la course 3 et au-delà.