No Large Hadron Collider (LHC) no CERN, os campos eletromagnéticos dos núcleos de chumbo contraídos por Lorentz em colisões de íons pesados ​​agem como fontes intensas de fótons de alta energia, ou partículas de luz. Este ambiente permite que os físicos de partículas estudem os processos de espalhamento induzido por fótons, que não pode ser estudado em outro lugar.

Um processo chave examinado pelos físicos do experimento ATLAS envolve a aniquilação de fótons em pares de múons de carga oposta. Esses "processos de dois fótons" eletromagnéticos são normalmente estudados em "colisões ultraperiféricas" (UPC), onde a separação transversal entre os núcleos principais em colisão é maior do que a soma de seus raios, resultando em nenhuma interação direta forte entre os núcleos em colisão. Isso fornece um ambiente limpo para o estudo das interações eletromagnéticas em alta energia e intensidade. Contudo, esses processos de dois fótons também estão presentes em colisões onde os dois núcleos se sobrepõem ("eventos de colisão central") e produzem plasma de quark-gluon. Os múons produzidos podem, em princípio, interagir com as cargas no plasma, fazer dos pares de múons criados em processos de dois fótons uma sonda potencialmente valiosa dos campos eletromagnéticos no plasma.

A ATLAS Collaboration lançou recentemente um novo, medição abrangente das distribuições de pares de múons de processos de aniquilação de dois fótons, em eventos de colisão UPC e não UPC. A medição utiliza o grande conjunto de dados registrado durante as execuções de íons pesados ​​de 2015 e 2018 do LHC.

Os físicos do ATLAS descobriram que a distribuição dos pares de múons variava sistematicamente, dependendo da "centralidade" da colisão (uma medida de como dois núcleos colidem frontalmente). Este comportamento é quantificado pelo k observável _⊥ que representa o momento transversal do par de dimuons perpendicular às direções dos múons. A figura mostra a distribuição de várias classes de centralidade diferentes, variando de eventos UPC a eventos de colisão central.

Uma mudança significativa nas distribuições é observada de UPC para eventos de colisão periféricos e centrais. Em particular, para os eventos UPC, os dois múons são mais prováveis ​​de serem produzidos consecutivamente, levando ao k _⊥ distribuições com pico em k _⊥ =0 MeV. Contudo, em colisões mais centrais com interações hadrônicas, os dois múons são mais propensos a ter uma ligeira mudança de serem puramente costas com costas, resultando o k _⊥ distribuições tenham um valor mais provável maior que zero. O valor mais provável dos deslocamentos de k⊥, dependendo da centralidade do evento de colisão, de k _⊥ =0 MeV em eventos UPC para k _⊥ =36 ± 1 MeV nas colisões mais centrais de 0-5%.

Essas medições fornecem uma nova visão sobre a possível interação dos múons de saída com cargas eletromagnéticas ou campos presentes no plasma quark-gluon. Contudo, cálculos recentes sugerem que efeitos semelhantes aos observados nos dados podem resultar de uma combinação do alargamento do estado inicial dos momentos transversais do fóton e do próprio processo de produção. Análises futuras e medições adicionais são necessárias para estabelecer o (s) mecanismo (s) responsável (is) pelas características observadas nos dados.