Des physiciens de l’expérience ATLAS, l’une des quatre expériences majeures du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN en Suisse, ont trouvé la première preuve directe de la diffusion de la lumière par la lumière à haute énergie, un processus de mécanique quantique interdit par la théorie classique de l’électrodynamique.
Un événement candidat de la diffusion de la lumière par la lumière, un processus très rare dans lequel deux photons interagissent et changent de direction, mesuré dans le détecteur ATLAS. Crédit image : CERN.
“Ce résultat fait date : c’est la première preuve directe que la lumière interagit avec elle-même à haute énergie. Ce phénomène est impossible dans les théories classiques de l’électromagnétisme ; ce résultat constitue donc un test sensible de notre compréhension de l’électrodynamique quantique (QED)”, a déclaré le Dr Dan Tovey, coordinateur de la physique d’ATLAS.
La preuve directe de la diffusion lumière par lumière à haute énergie s’est avérée difficile à obtenir pendant des décennies – jusqu’à ce que le deuxième passage du LHC commence en 2015.
Lorsque l’accélérateur a fait entrer en collision des ions de plomb à des taux de collision sans précédent, l’obtention de preuves de la diffusion de la lumière par la lumière est devenue une possibilité réelle.
“Cette mesure a suscité un grand intérêt pour les communautés de la physique des ions lourds et des hautes énergies pendant plusieurs années, car les calculs de plusieurs groupes ont montré que nous pourrions obtenir un signal significatif en étudiant les collisions d’ions plomb au cours du Run 2”, a expliqué le Dr Peter Steinberg, responsable du groupe de physique des ions lourds d’ATLAS.
Les collisions d’ions lourds offrent un environnement propre unique pour étudier la diffusion lumière par lumière.
Lorsque des paquets d’ions de plomb sont accélérés, un énorme flux de photons environnants est généré. Lorsque les ions se rencontrent au centre du détecteur ATLAS, très peu d’entre eux entrent en collision, mais les photons qui les entourent peuvent interagir et se disperser les uns les autres. Ces interactions sont connues sous le nom de “collisions ultra-périphériques”.
En étudiant plus de 4 milliards d’événements pris en 2015, la collaboration ATLAS a trouvé 13 événements candidats pour la diffusion lumière par lumière.
Ce résultat a une signification de 4,4 écarts-types, permettant à l’équipe de rapporter la première preuve directe de ce phénomène à haute énergie.
La mise en évidence de cette signature rare a nécessité le développement d’un nouveau “déclencheur” sensible pour le détecteur ATLAS”, a déclaré le Dr Steinberg.
“La signature résultante – deux photons dans un détecteur autrement vide – est presque l’opposé diamétral des événements extrêmement compliqués typiquement attendus des collisions de noyaux de plomb.”
“Le succès du nouveau déclencheur dans la sélection de ces événements démontre la puissance et la flexibilité du système, ainsi que la compétence et l’expertise des groupes d’analyse et de déclenchement qui l’ont conçu et développé.”
Les résultats ont été publiés en ligne cette semaine dans la revue Nature Physics.
