Au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, les champs électromagnétiques des noyaux de plomb contractés par Lorentz dans les collisions d'ions lourds agissent comme des sources intenses de photons de haute énergie, ou des particules de lumière. Cet environnement permet aux physiciens des particules d'étudier les processus de diffusion induits par les photons, qui ne peut être étudié ailleurs.

Un processus clé examiné par les physiciens de l'expérience ATLAS implique l'annihilation de photons en paires de muons de charges opposées. De tels "processus à deux photons" électromagnétiques sont typiquement étudiés dans des "collisions ultra-périphériques" (UPC), où la séparation transversale entre les noyaux de plomb en collision est supérieure à la somme de leurs rayons, résultant en aucune interaction forte directe entre les noyaux en collision. Cela fournit un environnement propre pour l'étude des interactions électromagnétiques à haute énergie et intensité. Cependant, ces processus à deux photons sont également présents dans les collisions où les deux noyaux se chevauchent ("événements de collision centrale") et produisent un plasma quark-gluon. Les muons produits peuvent, en principe, interagir avec les charges du plasma, faire des paires de muons créées dans les processus à deux photons une sonde potentiellement précieuse des champs électromagnétiques dans le plasma.

La collaboration ATLAS a récemment publié un nouveau mesure complète des distributions de paires de muons à partir de processus d'annihilation à deux photons, dans les événements de collision UPC et non UPC. La mesure utilise le vaste ensemble de données enregistrées au cours des périodes d'exploitation des ions lourds de 2015 et 2018 du LHC.

Les physiciens d'ATLAS ont découvert que les distributions des paires de muons variaient systématiquement en fonction de la « centralité » de la collision (une mesure de la façon dont deux noyaux se heurtent de front). Ce comportement est quantifié par l'observable k ?? qui représente la quantité de mouvement transverse de la paire de dimuons perpendiculaire aux directions des muons. La figure montre la distribution de plusieurs classes de centralité différentes, allant des événements UPC aux événements de collision centrale.

Un changement significatif dans les distributions est observé de l'UPC aux événements de collision périphériques à centraux. En particulier, pour les événements UPC, les deux muons sont plus susceptibles d'être produits dos à dos, menant au k ?? distributions culminant à k ?? =0 MeV. Cependant, dans des collisions plus centrales avec des interactions hadroniques, les deux muons sont plus susceptibles d'avoir un léger décalage d'être purement dos à dos, résultant le k ?? distributions d'avoir une valeur la plus probable supérieure à zéro. La valeur la plus probable de k⊥ se déplace, en fonction de la centralité de l'événement de collision, de k ?? =0 MeV en événements UPC à k ?? =36 ± 1 MeV dans les collisions les plus centrales de 0 à 5 %.

Ces mesures fournissent de nouvelles informations sur l'interaction possible des muons sortants avec des charges ou des champs électromagnétiques présents dans le plasma quark-gluon. Cependant, des calculs récents suggèrent que des effets similaires à ceux observés dans les données peuvent résulter d'une combinaison de l'élargissement de l'état initial des impulsions transverses des photons et du processus de production lui-même. Des analyses futures et des mesures supplémentaires sont nécessaires pour établir le(s) mécanisme(s) responsable(s) des caractéristiques observées dans les données.