Figure 1 :Section efficace différentielle de la production de γγ→γγ dans les collisions plomb-plomb à 5,02 TeV en fonction de la masse invariante du système diphoton et du cosinus de l'angle de diffusion dans le référentiel photon-photon centre de masse, mesurée par ATLAS. Les mesures sont comparées à la prédiction théorique. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
La diffusion lumière par lumière est un phénomène rare dans lequel deux photons - des particules de lumière - interagissent, produisant une autre paire de photons. L'observation directe de ce processus à haute énergie s'était révélée insaisissable pendant des décennies, jusqu'à ce qu'il soit vu pour la première fois par l'expérience ATLAS en 2016 et établi en 2019. Dans une nouvelle mesure, Les physiciens d'ATLAS utilisent la diffusion lumière par lumière pour rechercher un phénomène exagéré au-delà du modèle standard de la physique des particules :les particules de type axion.
Les collisions d'ions plomb lourds dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC) offrent l'environnement idéal pour étudier la diffusion lumière par lumière. Comme des grappes d'ions plomb sont accélérées, un énorme flux de photons environnants est généré correspondant à un champ électrique d'une intensité allant jusqu'à 10 25 volt par mètre. Lorsque des ions de faisceaux opposés passent les uns à côté des autres au centre du détecteur ATLAS, leurs photons environnants peuvent interagir et se disperser les uns les autres. Parce que les ions plomb ne perdent qu'une infime fraction de leur énergie dans ce processus, les ions sortants continuent leur chemin autour de l'anneau du LHC, invisible par le détecteur ATLAS. Ces interactions sont appelées collisions ultrapériphériques. Cela conduit à une signature d'événement distincte, très différent des événements typiques de collision d'ions plomb, avec deux photons dos à dos et aucune autre activité dans le détecteur.
Sur la base des données de collision plomb-plomb enregistrées en 2015, la collaboration ATLAS a trouvé la première preuve directe de la diffusion lumière par lumière à haute énergie. Plus récemment, la collaboration ATLAS a signalé l'observation de la diffusion lumière par lumière avec une signification de 8,2 écarts-types, en utilisant un large échantillon de données prélevé en 2018.
Figure 2 :Compilation des limites d'exclusion à un niveau de confiance de 95 % dans le couplage photon–a (particule de type axion) (1/Λa) par rapport à un plan de masse (ma) obtenu par différentes expériences. Les limites existantes sont comparées aux limites extraites de cette mesure. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
La collaboration ATLAS a étudié l'ensemble de données LHC Run-2 sur les collisions d'ions lourds afin de mesurer la diffusion lumière par lumière avec une précision améliorée et plus de détails. Sur plus de cent milliards de collisions ultrapériphériques sondées, ATLAS a observé un total de 97 événements candidats tandis que 27 événements sont attendus des processus d'arrière-plan. En plus de la cadence de production (section transversale), ATLAS a mesuré les énergies et les distributions angulaires des photons produits (c'est-à-dire leur cinématique). Le résultat explore une gamme plus large de masses de diphotons, augmentant le rendement de signal attendu d'environ 50 % par rapport aux mesures ATLAS précédentes.
La mesure de la diffusion lumière par lumière est sensible aux processus au-delà du modèle standard, telles que les particules de type axion. Ce sont des particules hypothétiques sans spin (scalaires) avec un nombre quantique de parité impair (le boson de Higgs, par exemple, est un scalaire à parité paire) et des interactions généralement faibles avec les particules du modèle standard. Dans le nouveau résultat ATLAS, les physiciens ont examiné si les paires de photons en interaction produisent des particules de type axion (a) lorsqu'elles se dispersent (γγ → a → γγ), ce qui conduirait à un excès d'événements de diffusion avec une masse de diphoton égale à la masse de a. Ils ont examiné la distribution de masse des diphotons pour une gamme de masses comprise entre 6 et 100 GeV. Aucun excès significatif d'événements par rapport au bruit de fond attendu n'a été trouvé dans l'analyse. Les physiciens d'ATLAS ont pu dériver, à un niveau de confiance de 95%, une limite d'exclusion des particules de type axion se couplant aux photons (Figure 2). En supposant que 100 % des particules putatives se désintègrent en photons, cette nouvelle analyse place les limites existantes les plus strictes sur la production de particules de type axion dans la gamme de masse examinée à ce jour.
Avec l'ensemble de données beaucoup plus important attendu dans les futures exploitations du LHC, les physiciens continueront d'explorer la sensibilité de la diffusion lumière par lumière à des phénomènes dépassant le modèle standard.
