p O espalhamento luz por luz é um fenômeno muito raro em que dois fótons interagem, produzindo outro par de fótons. Este processo estava entre as primeiras previsões da eletrodinâmica quântica (QED), a teoria quântica do eletromagnetismo, e é proibido pelas teorias da física clássica (como a teoria da eletrodinâmica de Maxwell). p Evidências diretas de espalhamento de luz por luz em alta energia provaram ser elusivas por décadas, até que o Large Hadron Collider (LHC) iniciasse seu segundo período de coleta de dados (Execução 2). As colisões de íons de chumbo no LHC fornecem um ambiente exclusivamente limpo para estudar a dispersão luz por luz. Pacotes de íons de chumbo que são acelerados a uma energia muito alta são cercados por um enorme fluxo de fótons. De fato, a ação coerente do grande número de 82 prótons em um átomo de chumbo com todos os elétrons removidos (como é o caso dos íons de chumbo no LHC) dá origem a um campo eletromagnético de até 10 ²⁵ Volt por metro. Quando dois íons de chumbo passam próximos um do outro no centro do detector ATLAS, mas a uma distância maior que o dobro do raio do íon de chumbo, esses fótons ainda podem interagir e se espalhar sem qualquer interação adicional entre os íons de chumbo, já que o alcance da (muito mais forte) força forte está limitado ao raio de um único próton. Essas interações são conhecidas como colisões ultraperiféricas.

p Em um resultado publicado em Física da Natureza em 2017, o experimento ATLAS no CERN encontrou treze eventos candidatos para espalhamento luz por luz em dados de colisão de chumbo-chumbo registrados em 2015, para 2.6 eventos esperados de processos em segundo plano. A significância correspondente deste resultado foi de 4,4 desvios padrão - tornando-se a primeira evidência direta de espalhamento de luz por luz de alta energia.

p Em 17 de março de 2019, no Rencontres de Moriond conferência (La Thuile, Itália), o experimento ATLAS relatou o observação de espalhamento luz por luz com uma significância de 8,2 desvios padrão. O resultado utiliza dados da execução de íons pesados ​​mais recente do LHC, que ocorreu em novembro de 2018. Cerca de 3,6 vezes mais eventos (1,73 nb ^-1 ) foram coletados em comparação com 2015. O conjunto de dados aumentado, em combinação com técnicas de análise aprimoradas, permitiu a medição da dispersão de luz por luz com uma precisão muito melhorada. Um total de 59 eventos candidatos foram observados, para 12 eventos esperados de processos em segundo plano. A partir desses números, a seção transversal deste processo, restrito à região cinemática considerada na análise, foi calculado como 78 ± 15 nb.

p Curiosamente, a assinatura desse processo - dois fótons em um detector vazio - é quase o oposto dos eventos extremamente ricos e complexos tipicamente observados em colisões de alta energia de dois núcleos principais. Observá-lo exigiu o desenvolvimento de algoritmos de gatilho aprimorados para seleção rápida de eventos online, bem como um algoritmo de identificação de fótons especificamente ajustado usando uma rede neural, já que os fótons estudados têm cerca de dez vezes menos energia do que os fótons com menor energia geralmente medidos com o detector ATLAS. Ser capaz de registrar esses eventos demonstra o poder e a flexibilidade do detector ATLAS e sua reconstrução de eventos, que foi projetado para topologias de eventos muito diferentes.

p Esta nova medição abre a porta para um estudo mais aprofundado do processo de espalhamento luz por luz, o que não é apenas interessante por si só como uma manifestação de um fenômeno QED extremamente raro, mas pode ser sensível a contribuições de partículas além do Modelo Padrão. Ele permite uma nova geração de buscas por luz hipotética e partículas neutras.