O espalhamento luz por luz é um fenômeno raro em que dois fótons - partículas de luz - interagem, produzindo outro par de fótons. A observação direta deste processo em alta energia provou ser evasiva por décadas, até ser visto pela primeira vez pelo Experimento ATLAS em 2016 e estabelecido em 2019. Em uma nova medição, Os físicos do ATLAS estão usando o espalhamento de luz por luz para pesquisar um fenômeno alardeado além do modelo padrão da física de partículas:partículas semelhantes a axions.

Colisões de íons de chumbo pesados ​​no Large Hadron Collider (LHC) fornecem o ambiente ideal para estudar a dispersão luz por luz. À medida que grupos de íons de chumbo são acelerados, um enorme fluxo de fótons circundantes é gerado correspondendo a um campo elétrico com intensidade de até 10 ²⁵ volt por metro. Quando os íons de feixes opostos passam próximos uns dos outros no centro do detector ATLAS, seus fótons ao redor podem interagir e se espalhar uns pelos outros. Como os íons de chumbo perdem apenas uma pequena fração de sua energia neste processo, os íons de saída continuam seu caminho em torno do anel do LHC, invisível pelo detector ATLAS. Essas interações são conhecidas como colisões ultraperiféricas. Isso leva a uma assinatura de evento distinta, muito diferente de eventos típicos de colisão de íons de chumbo, com dois fótons consecutivos e nenhuma atividade adicional no detector.

Com base em dados de colisão chumbo-chumbo registrados em 2015, a ATLAS Collaboration encontrou a primeira evidência direta de dispersão de luz por luz de alta energia. Mais recentemente, a ATLAS Collaboration relatou a observação de espalhamento luz por luz com uma significância de 8,2 desvios padrão, usando uma grande amostra de dados obtida em 2018.

A ATLAS Collaboration estudou todo o conjunto de dados LHC Run-2 de colisões de íons pesados ​​para medir o espalhamento luz por luz com precisão aprimorada e mais detalhes. Das mais de cem bilhões de colisões ultraperiféricas sondadas, ATLAS observou um total de 97 eventos candidatos, enquanto 27 eventos são esperados de processos em segundo plano. Além da taxa de produção (seção transversal), O ATLAS mediu as energias e as distribuições angulares dos fótons produzidos (ou seja, sua cinemática). O resultado explora uma gama mais ampla de massas de difótons, aumentando o rendimento do sinal esperado em cerca de 50% em comparação com as medições ATLAS anteriores.

A medição da dispersão de luz por luz é sensível a processos além do Modelo Padrão, como partículas semelhantes a axion. Estas são partículas hipotéticas sem spin (escalares) com um número quântico de paridade ímpar (o bóson de Higgs, por exemplo, é um escalar com paridade uniforme) e interações tipicamente fracas com partículas do Modelo Padrão. No novo resultado do ATLAS, os físicos consideraram se os pares de fótons interagindo produzem partículas semelhantes a axions (a) à medida que se dispersam (γγ → a → γγ), o que levaria a um excesso de eventos de espalhamento com massa do difóton igual à massa de a. Eles examinaram a distribuição de massa do difóton para uma faixa de massa entre 6 e 100 GeV. Nenhum excesso significativo de eventos sobre o histórico esperado foi encontrado na análise. Os físicos do ATLAS foram capazes de derivar, com um nível de confiança de 95%, um limite de exclusão do acoplamento de partículas semelhantes a axiões aos fótons (Figura 2). Assumindo que 100% das partículas putativas decaem para fótons, esta nova análise coloca os limites existentes mais fortes na produção de partículas semelhantes a axions na faixa de massa examinada até o momento.

Com o conjunto de dados muito maior esperado nas futuras execuções do LHC, os físicos continuarão a explorar a sensibilidade do espalhamento de luz por luz a fenômenos além do modelo padrão.