Durante a Conferência Internacional sobre Física de Altas Energias (ICHEP 2020), a colaboração ATLAS apresentou a primeira observação de colisões de fótons produzindo pares de bósons W, partículas elementares que carregam a força fraca, uma das quatro forças fundamentais. O resultado demonstra uma nova maneira de usar o LHC, a saber, como um colisor de fótons de alta energia, sondando diretamente as interações eletrofracas. Ele confirma uma das principais previsões da teoria eletrofraca - que os portadores de força podem interagir entre si - e fornece novas maneiras de sondá-la.

De acordo com as leis da eletrodinâmica clássica, dois feixes de luz que se cruzam não se desviam, absorver ou interromper um ao outro. Contudo, efeitos da eletrodinâmica quântica (QED), a teoria que explica como a luz e a matéria interagem, permitir interações entre fótons.

De fato, não é a primeira vez que fótons interagindo em altas energias são estudados no LHC. Por exemplo, "espalhamento" luz por luz, onde um par de fótons interage produzindo outro par de fótons, é uma das previsões mais antigas do QED. A primeira evidência direta de espalhamento luz por luz foi relatada pela ATLAS em 2017, explorar os fortes campos eletromagnéticos que cercam os íons de chumbo em colisões chumbo-chumbo de alta energia. Em 2019 e 2020, O ATLAS estudou ainda mais esse processo medindo suas propriedades.

O novo resultado relatado nesta conferência é sensível a outro fenômeno raro em que dois fótons interagem para produzir dois bósons W de carga elétrica oposta via (entre outros) a interação de quatro portadores de força. Os fótons quase reais dos feixes de prótons se dispersam para produzir um par de bósons W. Um primeiro estudo deste fenômeno foi relatado anteriormente pela ATLAS e CMS em 2016, a partir de dados registrados durante LHC Run 1, mas um conjunto de dados maior foi necessário para observá-lo inequivocamente.

A observação foi obtida com uma evidência estatística altamente significativa de 8,4 desvios padrão, correspondendo a uma chance insignificante de ser devido a uma flutuação estatística. Os físicos do ATLAS usaram um conjunto de dados consideravelmente maior obtido durante a execução 2, a coleta de dados de quatro anos no LHC que terminou em 2018, e desenvolveu um método de análise customizado.

Devido à natureza do processo de interação, as únicas trilhas de partículas visíveis no detector central são os produtos de decaimento dos dois bósons W, um elétron e um múon com carga elétrica oposta. Os pares de bósons W também podem ser produzidos diretamente a partir de interações entre quarks e glúons nos prótons em colisão consideravelmente mais frequentemente do que a partir de interações fóton-fóton, mas estes são acompanhados por trilhas adicionais de processos de interação fortes. Isso significa que os físicos do ATLAS tiveram que desembaraçar cuidadosamente as trilhas de colisão para observar esse fenômeno raro.

"Esta observação abre uma nova faceta de exploração experimental no LHC usando fótons no estado inicial", disse Karl Jakobs, porta-voz da colaboração ATLAS. "É único, pois envolve apenas acoplamentos entre portadores de força eletrofraca no ambiente dominado por forte interação do LHC. Com conjuntos de dados futuros maiores, ele pode ser usado para sondar de forma limpa a estrutura do medidor eletrofraco e possíveis contribuições de novas físicas. "

De fato, o novo resultado confirma uma das principais previsões da teoria eletrofraca, ou seja, além de interagir com partículas comuns de matéria, os portadores da força, também conhecido como bósons de calibre - os bósons W, o bóson Z e o fóton - também estão interagindo entre si. As colisões de fótons fornecerão uma nova maneira de testar o modelo padrão e de sondar novas físicas, o que é necessário para uma melhor compreensão do universo.