Fotony nie oddziałują ze sobą? A jednak! Rozproszono światło na świetle

Pierwszej obserwacji rozpraszania światła na świetle dokonali m.in. naukowcy z AGH w ramach eksperymentu ATLAS przy LHC w CERN. Nie jest wykluczone, że obserwacje otworzą drzwi do tzw. nowej fizyki. Wyniki wymagają jednak jeszcze potwierdzenia.

Pomiar rozproszenia światła na świetle – czy bardziej ogólnie fotonów na fotonach – został wykonany przez międzynarodowy zespół, w którego skład wchodzą m.in. badacze z AGH i fizycy jądrowi z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. O badaniach poinformowała AGH w przesłanym PAP komunikacie.

Aż 80 lat czekano na weryfikację eksperymentalną tej teorii. – W klasycznej teorii dwa fotony ze sobą nie oddziałują. To zjawisko jest niemożliwe, jeżeli weźmiemy pod uwagę klasyczne teorie w fizyce. Elektrodynamika klasyczna zabrania wystąpienia tego typu procesów. Gdyby te fotony chętnie ze sobą oddziaływały, to nie moglibyśmy siebie w ogóle widzieć . Patrząc w nocy na niebo, nie widzielibyśmy gwiazd – komentuje dr hab. inż. Iwona Grabowska-Bołd z WFIiS AGH, która brała udział w pomiarach.

Fizyk opowiada jednak, że w latach 30. XX wieku Werner Heisenberg i jego doktorant Leonhard Euler zaproponowali w ramach teorii kwantowej, że dwa fotony, mogą ze sobą oddziaływać. – To znaczy, że w przypadku, gdy się spotkają, mogą się rozproszyć, czyli zmienią kierunki swojego ruchu – tak jak dwie zderzające się kule bilardowe – wyjaśnia badaczka z AGH.

To jednak zjawisko niezwykle rzadkie. Aż 80 lat czekano na weryfikację tej teorii.

– W tym czasie robiono próby pomiaru tego zjawiska m.in. wykorzystując pomiary pośrednie, ale do tej pory bezpośrednio nie zmierzono rozpraszania dwóch fotonów – opowiada dr Grabowska-Bołd.

Ilość danych, które można było zebrać pod koniec roku 2015 z Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) w CERN, po raz pierwszy pozwoliła na bezpośrednią obserwację rozpraszania fotonów na fotonach.

Szukanie sygnałów nowej fizyki

Idea zrodziła się przy okazji innego eksperymentu. Na LHC przez większą część roku zderza się ze sobą protony, jeden miesiąc natomiast zarezerwowany jest na zderzenia cięższych obiektów, jakimi są jądra ołowiu. Fizycy badają, co się dzieje, kiedy takie obiekty zderzą się ze sobą. Wśród produktów zderzenia poszukują m.in. słynnego bozonu Higgsa. Natomiast w przeprowadzonym eksperymencie z rozpraszaniem fotonów naukowcy szukali takiej sytuacji, kiedy te dwa jądra ołowiu nie zderzą się, tylko miną się na tyle blisko, że wyczują swoją obecność poprzez pole elektromagnetyczne.

W badaniach prowadzonych przez grupę w 2015 r. zderzano jądra ołowiu. W czasie przecinania się wiązek dochodziło do 200 tys. zderzeń na sekundę. Spośród tak ogromnej ilości zderzeń można wybrać do analizy ok. 700. Zatem 99,6 proc. przypadków musiało zostać odrzuconych.

– Eksperyment ATLAS został zaprojektowany i zoptymalizowany do poszukiwań cząstki Higgsa. Bozon Higgsa ma taką cechę, że żyje bardzo krótko i rozpada się szybko po tym, jak powstanie, m.in. na dwa fotony. A dwa fotony to dokładnie ten sygnał, którego szukaliśmy w naszym eksperymencie – mówi badaczka z AGH. Trudność polegała na tym, że dwa rozproszone fotony miały znacznie niższe energie, trudniej je było zmierzyć.

– Nam ostatecznie udało się zaobserwować 13 przypadków, w których widzieliśmy dwa rozproszone fotony. Fizycy ogłaszają odkrycie, gdy mają wynik co najmniej 5 sigma – czyli 5 odchyleń standardowych od możliwej fluktuacji tła – dla którego prawdopodobieństwo błędu wynosi tylko 1 do 3,5 milionów. Ze względu na dość ograniczoną liczbę przypadków, nasze odkrycie oszacowaliśmy na 4,4 sigma – mówi badaczka z AGH. Zapowiada, że w przyszłości naukowcy będą chcieli powtórzyć ten eksperyment i zobaczyć jeszcze więcej par rozproszonych fotonów, tak aby móc potwierdzić swoje odkrycie.

– Proces rozpraszania fotonów na fotonach, z punktu widzenia teorii, otwiera ciekawe możliwości, m.in. szukania sygnałów tzw. nowej fizyki – komentuje Iwona Grabowska-Bołd.

Ostateczny rezultat prowadzonych badań został zaprezentowany w lutym na najważniejszej konferencji z dziedziny fizyki zderzeń ciężkich jonów „Quark Matter” w Chicago. Został on przyjęty z dużym entuzjazmem przez środowisko naukowe.

Szczegóły dotycząc badań można znaleźć na stronie AGH.

 

Źródło: PAP – Nauka w Polsce, fot. cds.cern.ch