Juste après avoir prouvé une prédiction vieille de 87 ans selon laquelle la matière peut être générée directement à partir de la lumière, Les physiciens de l'Université Rice et leurs collègues ont détaillé l'impact de ce processus sur les futures études du plasma primordial et de la physique au-delà du modèle standard.

"Nous regardons essentiellement des collisions de lumière, " dit Wei Li, professeur agrégé de physique et d'astronomie à Rice et co-auteur de l'étude publiée dans Lettres d'examen physique .

"Nous savons d'Einstein que l'énergie peut être convertie en masse, " dit Li, un physicien des particules qui collabore avec des centaines de collègues sur des expériences dans des accélérateurs de particules à haute énergie comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC) de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire et le collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du Brookhaven National Laboratory.

Des accélérateurs comme le RHIC et le LHC transforment régulièrement l'énergie en matière en accélérant des morceaux d'atomes proches de la vitesse de la lumière et en les écrasant les uns contre les autres. La découverte en 2012 de la particule de Higgs au LHC en est un exemple notable. À l'époque, le Higgs était la dernière particule non observée dans le modèle standard, une théorie qui décrit les forces fondamentales et les éléments constitutifs des atomes.

Aussi impressionnant soit-il, les physiciens savent que le modèle standard n'explique qu'environ 4 % de la matière et de l'énergie de l'univers. Li a dit que l'étude de cette semaine, qui a été rédigé par le chercheur postdoctoral Rice Shuai Yang, a des implications pour la recherche de la physique au-delà du modèle standard.

"Il y a des articles qui prédisent que vous pouvez créer de nouvelles particules à partir de ces collisions ioniques, que nous avons une densité de photons si élevée dans ces collisions que ces interactions photon-photon peuvent créer une nouvelle physique au-delà du modèle standard, " dit Li.

Yang a dit, " A la recherche d'une nouvelle physique, il faut comprendre très précisément les processus du modèle standard. L'effet que nous avons vu ici n'avait pas été pris en compte auparavant lorsque les gens ont suggéré d'utiliser des interactions photon-photon pour rechercher une nouvelle physique. Et il est extrêmement important d'en tenir compte."

L'effet détaillé par Yang et ses collègues se produit lorsque des physiciens accélèrent des faisceaux opposés d'ions lourds dans des directions opposées et pointent les faisceaux les uns vers les autres. Les ions sont des noyaux d'éléments massifs comme l'or ou le plomb, et les accélérateurs d'ions sont particulièrement utiles pour étudier la force forte, qui lie les éléments constitutifs fondamentaux appelés quarks dans les neutrons et les protons des noyaux atomiques. Les physiciens ont utilisé des collisions d'ions lourds pour surmonter ces interactions et observer à la fois les quarks et les gluons, les particules quarks échangent lorsqu'elles interagissent via la force forte.

Mais les noyaux ne sont pas les seuls à entrer en collision dans les accélérateurs d'ions lourds. Les faisceaux d'ions produisent également des champs électriques et magnétiques qui enveloppent chaque noyau du faisceau de son propre nuage de lumière. Ces nuages ​​se déplacent avec les noyaux, et quand les nuages ​​des faisceaux opposés se rencontrent, des particules de lumière individuelles appelées photons peuvent se rencontrer de front.

Dans un PRL étude publiée en juillet, Yang et ses collègues ont utilisé les données du RHIC pour montrer que les collisions photon-photon produisent de la matière à partir d'énergie pure. Dans les expériences, les collisions légères se sont produites avec des collisions de noyaux qui ont créé une soupe primordiale appelée plasma quark-gluon, ou QGP.

« Au RHIC, vous pouvez faire en sorte que la collision photon-photon crée sa masse en même temps que la formation du plasma quark-gluon, " dit Yang. " Alors, vous créez cette nouvelle masse à l'intérieur du plasma quark-gluon."

Le doctorat de Yang travail de thèse sur les données du RHIC publié dans PRL en 2018, il a été suggéré que les collisions de photons pourraient affecter le plasma de manière légère mais mesurable. Li a dit que c'était à la fois intriguant et surprenant, car les collisions de photons sont un phénomène électromagnétique, et les plasmas quark-gluon sont dominés par la force forte, qui est bien plus puissante que la force électromagnétique.

"Pour interagir fortement avec le plasma quark-gluon, n'avoir qu'une charge électrique ne suffit pas, " a dit Li. " Vous ne vous attendez pas à ce qu'il interagisse très fortement avec le plasma quark-gluon. "

Il a dit qu'une variété de théories ont été proposées pour expliquer les découvertes inattendues de Yang.

"Une explication proposée est que l'interaction photon-photon sera différente, pas à cause du plasma quark-gluon, mais parce que les deux ions se rapprochent l'un de l'autre, " a dit Li. " C'est lié aux effets quantiques et à la façon dont les photons interagissent les uns avec les autres. "

Si des effets quantiques avaient causé les anomalies, Yang supposa, ils pouvaient créer des motifs d'interférence détectables lorsque les ions se manquaient de peu mais que les photons de leurs nuages ​​​​de lumière respectifs entrent en collision.

"Alors les deux ions, ils ne se frappent pas directement, " dit Yang. " Ils passent en fait. C'est ce qu'on appelle une collision ultrapériphérique, car les photons entrent en collision mais les ions ne se heurtent pas."

La théorie a suggéré que les modèles d'interférence quantique provenant des collisions photon-photon ultrapériphériques devraient varier en proportion directe de la distance entre les ions passants. En utilisant les données de l'expérience Compact Muon Solenoid (CMS) du LHC, Yang, Li et ses collègues ont découvert qu'ils pouvaient déterminer cette distance, ou paramètre d'impact, en mesurant quelque chose de complètement différent.

"Les deux ions, à mesure qu'ils se rapprochent, il y a une plus grande probabilité que l'ion soit excité et commence à émettre des neutrons, qui descendent tout droit la ligne de faisceau, " a dit Li. " Nous avons un détecteur pour cela à CMS. "

Chaque collision photon-photon ultrapériphérique produit une paire de particules appelées muons qui partent généralement de la collision dans des directions opposées. Comme le prédit la théorie, Yang, Li et ses collègues ont découvert que les interférences quantiques déformaient l'angle de départ des muons. Et plus la distance entre les ions de quasi-mission est courte, plus la distorsion est importante.

Li a déclaré que l'effet provient du mouvement des photons en collision. Bien que chacun se déplace dans la direction du faisceau avec son ion hôte, les photons peuvent également s'éloigner de leurs hôtes.

"Les photons ont un mouvement dans la direction perpendiculaire, trop, " dit-il. " Et il s'avère, exactement, que ce mouvement perpendiculaire devient plus fort à mesure que le paramètre d'impact devient de plus en plus petit.

"Cela donne l'impression que quelque chose modifie les muons, " dit Li. " On dirait que l'un va sous un angle différent de l'autre, mais ce n'est vraiment pas le cas. C'est un artefact de la façon dont le mouvement du photon changeait, perpendiculaire à la direction du faisceau, avant la collision qui a fait les muons."

Yang a déclaré que l'étude expliquait la plupart des anomalies qu'il avait précédemment identifiées. Pendant ce temps, l'étude a établi un nouvel outil expérimental pour contrôler le paramètre d'impact des interactions photoniques qui auront des impacts de grande envergure.

« On peut confortablement dire que la majorité est venue de cet effet QED, " dit-il. " Mais cela n'exclut pas qu'il y ait encore des effets liés au plasma quark-gluon. Ce travail nous donne une base de référence très précise, mais nous avons besoin de données plus précises. Nous avons encore au moins 15 ans pour collecter les données QGP au CMS, et la précision des données deviendra de plus en plus élevée."