La création de matière dans une interaction de deux photons appartient à une classe de phénomènes très rares. A partir des données de l'expérience ATLAS au LHC, collectés avec les nouveaux détecteurs de protons de l'AFP aux plus hautes énergies disponibles à ce jour, une image plus précise - et plus intéressante - des phénomènes se produisant lors des collisions de photons est en train d'émerger.

Si vous dirigez une lampe de poche incandescente vers une autre, vous ne vous attendez pas à des phénomènes spectaculaires. Les photons émis par les deux lampes de poche se croisent simplement. Cependant, dans certaines collisions impliquant des protons de haute énergie, la situation est différente. Les photons émis par deux particules en collision peuvent interagir et créer une paire de particules de matière et d'antimatière. Des traces de tels processus viennent d'être observées dans l'expérience ATLAS au Large Hadron Collider (LHC) au CERN près de Genève. Des observations précises ont été réalisées à l'aide du nouveau spectromètre AFP (ATLAS Forward Proton), développé avec une participation significative de scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie. Les physiciens polonais, financé par le Centre national des sciences et le ministère des Sciences et de l'Enseignement supérieur, ont été impliqués dans le développement de détecteurs AFP depuis la conception de ces dispositifs.

"Les observations de la création de particules de matière et d'antimatière à partir du rayonnement électromagnétique remontent aux débuts de la physique nucléaire, " dit le professeur Janusz Chwastowski, chef de l'équipe de physiciens de l'IFJ PAN impliquée dans les détecteurs AFP.

En effet, c'est en février 1933 que Patrick Blackett (Nobel 1948) et Giuseppe Occhialini rapportent une observation de la création d'une paire électron-positon initiée par un quantum de rayonnement cosmique. La création de matière et d'antimatière a donc été remarquée plus tôt que le processus inverse, c'est-à-dire la célèbre et spectaculaire annihilation des positons. Les premières observations de ce dernier ont été faites en août 1933 par Theodor Heiting, et trois mois plus tard par Frédéric Joliot.

« Dans les événements de création les plus couramment enregistrés, un photon se transforme en une particule et une antiparticule. En revanche, le phénomène que nous étudions est d'une autre nature. La paire particule-antiparticule apparaît ici en raison de l'interaction de deux photons. La possibilité de tels processus a été signalée pour la première fois par Gregory Breit et John A. Wheeler en 1934, " poursuit le Pr Chwastowski.

En tant que particule chargée, le proton se déplaçant à l'intérieur du tube du faisceau du LHC est entouré d'un champ électrique. Puisque les porteurs des interactions électromagnétiques sont des photons, le proton peut être traité comme un objet entouré de photons.

"Dans le tube du faisceau du LHC, les protons atteignent des vitesses très proches de la vitesse de la lumière. Un proton et le champ environnant subissent la contraction de Lorentz le long de la direction du mouvement. Ainsi, de notre point de vue, un proton se déplaçant presque à la vitesse de la lumière est associé à des oscillations particulièrement violentes du champ électromagnétique. Lorsqu'un tel proton s'approche d'un autre accéléré dans les directions opposées - et c'est la situation à laquelle nous sommes confrontés au LHC - une interaction entre les photons peut se produire, " explique le Dr Rafal Staszewski (FIJ PAN).

Au LHC, des collisions de faisceaux de protons hautement énergétiques se produisent à plusieurs endroits, dont celui situé à l'intérieur du détecteur géant ATLAS. Si deux photons entrent en collision, le résultat pourrait être une paire électron-positon ou une paire muon-antimuon (un muon est environ 200 fois plus massif qu'un électron). Ces particules, qui appartiennent à la famille des leptons, produit à de grands angles par rapport aux faisceaux de protons, sont enregistrées à l'intérieur du détecteur principal d'ATLAS. De tels phénomènes ont déjà été observés au LHC.

"Le fait est, nous avons deux autres protagonistes des processus à deux photons ! Ceux-ci sont, naturellement, les sources de photons, c'est-à-dire les deux protons qui passent. Ainsi nous arrivons à l'essence de notre mesure, " dit le Dr Staszewski et explique :" En raison de l'émission de photons, chaque proton perd de l'énergie mais, surtout, il ne change pratiquement pas la direction de son mouvement. Donc, il s'échappe du détecteur avec d'autres protons du faisceau. Cependant, le proton qui a émis le photon a une énergie légèrement inférieure à celle des protons du faisceau. Par conséquent, le champ magnétique de l'accélérateur le dévie davantage, et cela signifie qu'il s'éloigne progressivement du faisceau. Ce sont les protons que nous recherchons avec nos spectromètres AFP."

Chacune des quatre unités de suivi AFP contient quatre capteurs :des plaques de pixels semi-conducteurs de 16 x 20 mm, placés l'un derrière l'autre. Un proton qui traverse les capteurs dépose de l'énergie et active ainsi les pixels sur son chemin. En analysant tous les pixels activés, le chemin et les propriétés du proton peuvent être reconstruits.

La nécessité d'enregistrer des protons seulement légèrement déviés du faisceau principal signifie que les spectromètres AFP doivent être insérés directement à l'intérieur du tube de faisceau du LHC, à quelques millimètres des faisceaux en circulation.

"Lorsque vous opérez si près d'un faisceau de particules avec des énergies si élevées, il faut être conscient des risques. La moindre erreur dans le positionnement du spectromètre pourrait entraîner un trou dans celui-ci. Ce serait très bouleversant, mais ce serait vraiment le cadet de nos problèmes. Les débris qui en résulteraient contamineraient au moins une partie de l'accélérateur provoquant son arrêt pendant un certain temps, " note le Pr Chwastowski.

Les mesures décrites ici ont été réalisées avec des spectromètres AFP placés à une distance d'environ 200 m du point de collision des protons.

« Les protons interagissent au LHC de plusieurs manières. les protons observés dans les spectromètres AFP peuvent provenir de processus autres que ceux associés aux interactions photon-photon. Pour rechercher les bons protons, nous devions avoir une connaissance précise des propriétés de chaque particule, " souligne le doctorant Krzysztof Ciesla (IFJ PAN), qui s'est occupé de l'analyse initiale des données brutes collectées par les spectromètres de l'AFP en 2017 et de leur conversion en informations sur les énergies et les impulsions des protons enregistrés. Les résultats des mesures d'énergie des protons ont ensuite été juxtaposés aux énergies de la paire de leptons créée et, basé sur des principes de conservation, il a été déterminé si le proton observé pouvait être la source du photon en interaction.

Les mesures effectuées à l'aide des spectromètres AFP se sont avérées très significatives d'un point de vue statistique, à neuf écarts types (sigma). En comparaison, une mesure de cinq sigma est généralement suffisante pour annoncer une découverte scientifique. Donc, les spectromètres AFP ont passé avec succès le test, prouvé l'utilité de la méthode et fourni très intéressant, bien que toujours pas clair, résultats. Il s'est avéré que les prédictions théoriques ne concordent pas entièrement avec les caractéristiques déterminées des interactions étudiées. De toute évidence, il existe des nuances cachées dans les processus à deux photons observés dans les collisions proton-proton à haute énergie qui nécessitent une meilleure compréhension et des mesures supplémentaires.