Des physiciens du riz ont fait équipe avec des collègues du Large Hadron Collider d’Europe pour étudier les collisions de lumière génératrices de matière. Les chercheurs ont montré que l’angle de départ des débris des smashups est subtilement déformé par les modèles d’interférence quantique dans la lumière avant l’impact. Crédit : Illustration par 123rf.com
Comprendre les collisions de photons pourrait aider à rechercher une physique au-delà du modèle standard.
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 comment ce processus pourrait avoir un impact sur les futures études de plasma et la physique au-delà du modèle standard.
“Nous examinons essentiellement les collisions de lumière”, a déclaré 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”, a déclaré 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 Large Hadron Collider (LHC) de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire et Brookhaven National Le collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) du laboratoire.
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. Les 2012 découverte de la particule de Higgs au LHC en est un exemple notable. À l’époque, le Higgs était la dernière particule non observée du modèle standard, une théorie qui décrit les forces fondamentales et les éléments constitutifs des atomes.
Le professeur de physique du riz Wei Li (à gauche) et l’associé de recherche postdoctoral Shuai Yang ont fait équipe avec des collègues de l’expérience Compact Muon Solenoid du Large Hadron Collider (LHC) pour étudier les collisions génératrices de matière de lumière qui se sont produites dans les expériences d’ions lourds au LHC. Yang est l’auteur principal d’une étude récemment publiée qui détaille comment l’angle de départ des débris des smashups est subtilement déformé par les schémas d’interférence quantique avant l’impact. Crédit : photo de Jeff Fitlow
Aussi impressionnant qu’il soit, les physiciens savent que le modèle standard n’explique qu’environ 4 % de la matière et de l’énergie de l’univers. Li a déclaré que l’étude de cette semaine, dont l’auteur principal était le chercheur postdoctoral de Rice, Shuai Yang, avait des implications pour la recherche de la physique au-delà du modèle standard.
“Il existe des articles prédisant 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”, a déclaré Li.
Yang a déclaré : « Pour rechercher 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 qu’ils échangent lorsqu’ils 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 lorsque les nuages de faisceaux opposés se rencontrent, des particules de lumière individuelles appelées photons peuvent se rencontrer de front.
Dans un Etude PRL 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 écrasements légers se sont produits 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”, a déclaré Yang. “Donc, vous créez cette nouvelle masse à l’intérieur du plasma quark-gluon.”
Le doctorat de Yang travail de thèse sur les données RHIC publié en PRL en 2018 les collisions de photons suggérées 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 quarks-gluons sont dominés par la force forte, qui est bien plus puissante que la force électromagnétique.
“Pour interagir fortement avec le plasma quark-gluon, il ne suffit pas d’avoir une charge électrique”, a déclaré 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 non pas à cause du plasma quark-gluon, mais parce que les deux ions se rapprochent l’un de l’autre”, a déclaré 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, présuma Yang, ils pourraient créer des motifs d’interférence détectables lorsque les ions se manquent de peu mais que les photons de leurs nuages de lumière respectifs entrent en collision.
“Donc, les deux ions, ils ne se heurtent pas directement”, a déclaré Yang. « En fait, ils passent. C’est ce qu’on appelle une collision ultrapériphérique, car les photons entrent en collision mais les ions ne se heurtent pas.
L’expérience Compact Muon Solenoid au Grand collisionneur de hadrons de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire. Crédit : CERN
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 leurs 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 directement le long de la ligne de faisceau”, a déclaré Li. « Nous avons un détecteur pour cela chez CMS. »
Chaque collision photon-photon ultrapériphérique produit une paire de particules appelées muons qui partent généralement de la collision dans des directions opposées. Comme prédit par la théorie, Yang, Li et leurs 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 également un mouvement dans la direction perpendiculaire », a-t-il déclaré. “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”, a déclaré 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, perpendiculairement à la direction du faisceau, avant la collision qui a créé 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.
“Nous pouvons confortablement dire que la majorité est venue de cet effet QED”, a-t-il déclaré. « Mais cela n’exclut pas qu’il existe 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 des données QGP sur CMS, et la précision des données sera de plus en plus élevée. »
Référence : “Observation of Forward Neutron Multiplicity Dependence of Dimuon Acoplanarity in Ultraperipheral Pb-Pb Collisions at sNN=5.02 TeV” par A. M. Sirunyan et al. (Collaboration CMS), 17 septembre 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.122001
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