La diffusion lumière par lumière est un phénomène très rare dans lequel deux photons interagissent, produisant une autre paire de photons. Ce processus a été parmi les premières prédictions de l'électrodynamique quantique (QED), la théorie quantique de l'électromagnétisme, et est interdit par les théories de la physique classique (comme la théorie de l'électrodynamique de Maxwell).

Les preuves directes de la diffusion lumière par lumière à haute énergie s'étaient révélées insaisissables pendant des décennies, jusqu'à ce que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) commence sa deuxième période de prise de données (Run 2). Les collisions d'ions plomb dans le LHC offrent un environnement particulièrement propre pour étudier la diffusion lumière par lumière. Des grappes d'ions plomb qui sont accélérées à très haute énergie sont entourées d'un énorme flux de photons. En effet, l'action cohérente du grand nombre de 82 protons dans un atome de plomb avec tous les électrons dépouillés (comme c'est le cas pour les ions plomb dans le LHC) donne lieu à un champ électromagnétique allant jusqu'à 10 ²⁵ Volt par mètre. Lorsque deux ions de plomb passent à proximité l'un de l'autre au centre du détecteur ATLAS, mais à une distance supérieure à deux fois le rayon des ions plomb, ces photons peuvent toujours interagir et se disperser sans autre interaction entre les ions plomb, car la portée de la force (beaucoup plus forte) est liée au rayon d'un seul proton. Ces interactions sont appelées collisions ultrapériphériques.

Dans un résultat publié dans Physique de la nature en 2017, l'expérience ATLAS au CERN a trouvé treize événements candidats pour la diffusion lumière par lumière dans les données de collision plomb-plomb enregistrées en 2015, pour les événements 2.6 attendus des processus d'arrière-plan. La signification correspondante de ce résultat était de 4,4 écarts-types, ce qui en fait la première preuve directe de la diffusion lumière par lumière à haute énergie.

Le 17 mars 2019, au Rencontres de Moriond conférence (La Thuile, Italie), l'expérience ATLAS a rapporté la observation de la diffusion lumière par lumière avec une signification de 8,2 écarts-types. Le résultat utilise les données de l'exploitation d'ions lourds la plus récente du LHC, qui a eu lieu en novembre 2018. Environ 3,6 fois plus d'événements (1,73 nb ^-1 ) ont été collectées par rapport à 2015. L'ensemble de données augmenté, en combinaison avec des techniques d'analyse améliorées, a permis de mesurer la diffusion lumière par lumière avec une précision grandement améliorée. Au total, 59 événements candidats ont été observés, pour 12 événements attendus des processus d'arrière-plan. A partir de ces chiffres, la section transversale de ce processus, restreint à la zone cinématique considérée dans l'analyse, a été calculé comme 78 ± 15 nb.

Avec curiosité, la signature de ce processus – deux photons dans un détecteur autrement vide – est presque à l'opposé des événements extrêmement riches et complexes typiquement observés dans les collisions à haute énergie de deux noyaux de plomb. L'observer a nécessité le développement d'algorithmes de déclenchement améliorés pour une sélection rapide d'événements en ligne, ainsi qu'un algorithme d'identification de photons spécifiquement ajusté utilisant un réseau de neurones, car les photons étudiés ont environ dix fois moins d'énergie que les photons les moins énergétiques habituellement mesurés avec le détecteur ATLAS. Pouvoir enregistrer ces événements démontre la puissance et la flexibilité du détecteur ATLAS et sa reconstruction d'événements, qui a été conçu pour des topologies d'événements très différentes.

Cette nouvelle mesure ouvre la porte à une étude plus approfondie du processus de diffusion lumière par lumière, qui n'est pas seulement intéressante en elle-même comme manifestation d'un phénomène de QED extrêmement rare, mais peut être sensible aux contributions des particules au-delà du modèle standard. Il permet une nouvelle génération de recherches de particules hypothétiques légères et neutres.